Les chercheurs ont développé les simulations les plus détaillées à ce jour de la manière dont la matière s'accumule autour des trous noirs, en intégrant la relativité générale complète et les effets de rayonnement. Mené par Lizhong Zhang de l'Institute for Advanced Study et du Flatiron Institute, l'étude correspond aux observations astronomiques réelles. Publié dans The Astrophysical Journal, il se concentre sur les trous noirs de masse stellaire et utilise des superordinateurs puissants.
Les astrophysiciens computationnels ont réalisé un progrès significatif dans la modélisation de l'accrétion des trous noirs, le processus par lequel ces objets cosmiques attirent la matière environnante et libèrent un rayonnement intense. La nouvelle étude, publiée dans The Astrophysical Journal, introduit un cadre computationnel qui calcule les flux de matière vers les trous noirs sans hypothèses simplificatrices, tenant pleinement compte de la relativité générale d'Einstein et des conditions dominées par le rayonnement.
Dirigée par Lizhong Zhang, chercheur postdoctoral conjoint à la School of Natural Sciences de l'Institute for Advanced Study et au Center for Computational Astrophysics du Flatiron Institute, la recherche a commencé pendant la première année de Zhang à l'Institute en 2023-24 et s'est poursuivie à Flatiron. «C'est la première fois que nous avons pu voir ce qui se passe lorsque les processus physiques les plus importants dans l'accrétion des trous noirs sont inclus avec précision», a déclaré Zhang. «Ces systèmes sont extrêmement non linéaires – toute hypothèse trop simplificatrice peut changer complètement le résultat. Ce qui est le plus excitant, c'est que nos simulations reproduisent maintenant des comportements remarquablement cohérents à travers les systèmes de trous noirs observés dans le ciel, des sources ultralumineuses de rayons X aux binaires de rayons X."
Les modèles ciblent les trous noirs de masse stellaire, qui ont environ 10 fois la masse du Soleil. Contrairement aux trous noirs supermassifs, ces objets plus petits évoluent rapidement en minutes à heures, permettant des observations en temps réel par analyse spectrale de leur lumière émise. Les simulations dépeignent la matière en spirale vers l'intérieur pour former des disques turbulents et lumineux, ainsi que des vents s'écoulant vers l'extérieur et des jets occasionnels.
Pour y parvenir, l'équipe a accédé aux superordinateurs exascale Frontier à l'Oak Ridge National Laboratory et Aurora à l'Argonne National Laboratory. Les contributions clés ont inclus des algorithmes de transport de rayonnement développés par Christopher White du Flatiron et de l'Université Princeton, et leur intégration dans le code AthenaK par Patrick Mullen, anciennement à l'Institute et maintenant au Los Alamos National Laboratory.
Co-auteur James Stone, professeur à l'Institute, a souligné les exigences du projet : «Ce qui rend ce projet unique, d'une part, c'est le temps et les efforts consacrés au développement des mathématiques appliquées et des logiciels capables de modéliser ces systèmes complexes, et d'autre part, disposer d'une allocation très importante sur les plus grands superordinateurs du monde pour effectuer ces calculs. La tâche maintenant est de comprendre toute la science qui en découle."
Ce premier article d'une série pave la voie pour appliquer le cadre à divers types de trous noirs, éclairant potentiellement ceux supermassifs qui influencent la formation des galaxies. Les spectres simulés s'alignent étroitement sur les données astronomiques, améliorant les interprétations de ces objets énigmatiques.