La “calvitie” magnétique des trous noirs sauve la prédiction de la relativité générale –

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  • Les trous noirs ne sont pas ce qu’ils mangent. La relativité générale d’Einstein prédit que peu importe ce qu’un trou noir consomme, ses propriétés externes ne dépendent que de sa masse, de sa rotation et de sa charge électrique. Tous les autres détails sur son alimentation disparaissent. Les astrophysiciens appellent cela avec fantaisie la conjecture sans cheveux. (Les trous noirs, disent-ils, “n’ont pas de cheveux.”)

    Il y a cependant une menace potentiellement velue pour la conjecture. Les trous noirs peuvent naître avec un champ magnétique puissant ou en obtenir un en grignotant du matériau magnétisé. Un tel champ doit rapidement disparaître pour que la conjecture sans cheveux tienne. Mais les vrais trous noirs n’existent pas isolément. Ils peuvent être entourés de plasma – un gaz tellement énergisé que des électrons se sont détachés de leurs atomes – qui peuvent soutenir le champ magnétique, réfutant potentiellement la conjecture.

    À l’aide de simulations par superordinateur d’un trou noir englouti par le plasma, des chercheurs du Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics (CCA) à New York, de l’Université de Columbia et de l’Université de Princeton ont découvert que la conjecture sans cheveux tient. L’équipe rend compte de ses conclusions le 27 juillet dans Lettres d’examen physique.

    “La conjecture sans cheveux est la pierre angulaire de la relativité générale”, explique le co-auteur de l’étude Bart Ripperda, chercheur au CCA et boursier postdoctoral à Princeton. “Si un trou noir a un champ magnétique de longue durée, alors la conjecture sans cheveux est violée. Heureusement, une solution est venue de la physique des plasmas qui a sauvé la conjecture sans cheveux d’être brisée.”

    Les simulations de l’équipe ont montré que les lignes de champ magnétique autour du trou noir se brisent et se reconnectent rapidement, créant des poches remplies de plasma qui se lancent dans l’espace ou tombent dans la gueule du trou noir. Ce processus draine rapidement le champ magnétique et pourrait expliquer les éruptions observées près des trous noirs supermassifs, rapportent les chercheurs.

    “Les théoriciens n’y ont pas pensé parce qu’ils mettent généralement leurs trous noirs dans le vide”, explique Ripperda. “Mais dans la vraie vie, il y a souvent du plasma, et le plasma peut soutenir et apporter des champs magnétiques. Et cela doit correspondre à votre conjecture sans cheveux.”

    Ripperda a co-écrit l’étude avec l’étudiante diplômée de Columbia Ashley Bransgrove et la chercheuse associée du CCA Sasha Philippov, qui est également chercheuse invitée à Princeton.

    Une étude de 2011 sur le problème a suggéré que la conjecture sans cheveux était en difficulté. Cependant, cette étude n’a examiné ces systèmes qu’à faible résolution et a traité le plasma comme un fluide. Cependant, le plasma autour d’un trou noir est tellement dilué que les particules se heurtent rarement les unes aux autres, donc le traiter comme un fluide est une simplification excessive.

    Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont mené des simulations de physique du plasma à haute résolution avec un modèle relativiste général du champ magnétique d’un trou noir. Au total, il a fallu 10 millions d’heures CPU pour effectuer tous les calculs. “Nous n’aurions pas pu faire ces simulations sans les ressources de calcul du Flatiron Institute”, déclare Ripperda.

    Les simulations résultantes ont montré comment le champ magnétique autour d’un trou noir évolue. Au début, le champ s’étend en arc du pôle nord du trou noir à son pôle sud. Ensuite, les interactions au sein du plasma provoquent un gonflement du champ vers l’extérieur. Cette ouverture provoque la division du champ en lignes de champ magnétique individuelles qui rayonnent vers l’extérieur depuis le trou noir.

    Les lignes de champ alternent en direction, soit vers, soit en s’éloignant de l’horizon des événements. Les lignes de champ magnétique à proximité se connectent, créant un motif tressé de lignes de champ qui se rejoignent et se séparent. Entre deux de ces points de connexion, il existe un espace qui se remplit de plasma. Le plasma est alimenté par le champ magnétique, se projetant vers l’extérieur dans l’espace ou vers l’intérieur dans le trou noir. Au fur et à mesure que le processus se poursuit, le champ magnétique perd de l’énergie et finit par disparaître.

    Surtout, le processus se déroule rapidement. Les chercheurs ont découvert que le trou noir épuise son champ magnétique à un taux de 10 pour cent de la vitesse de la lumière. “La reconnexion rapide a sauvé la conjecture sans cheveux”, dit Ripperda.

    Les chercheurs proposent que le mécanisme alimentant les éruptions observées du trou noir supermassif au centre de la galaxie Messier 87 pourrait s’expliquer par le processus de calvitie observé dans les simulations. Les comparaisons initiales entre eux semblent prometteuses, disent-ils, bien qu’une évaluation plus solide soit nécessaire. S’ils s’alignent effectivement, les éruptions énergétiques alimentées par la reconnexion magnétique aux horizons des événements de trous noirs pourraient être un phénomène répandu.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Fondation Simons. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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