Les astronomes ont utilisé un outil peut-être improbable pour comprendre ce qu’ils ont vu dans leur première image historique du trou noir supermassif de la Voie lactée : une bibliothèque de simulations informatiques qui imitent le trou noir avec des millions de variations.
Prendre une image d’un trou noircomme Sagittaire A* au centre de notre galaxie, avec le Télescope d’horizon d’événement (EHT) est l’un des exploits les plus compliqués qu’un astronome puisse entreprendre. La nouvelle image combine des pétaoctets de données provenant de huit radiotélescopes répartis dans le monde entier ; des algorithmes informatiques avancés se mettent alors au travail pour transformer toutes ces données disparates en une image en fausses couleurs.
Mais, « Prendre une image n’est que le début », a déclaré Chi-Kwan Chan dans une université de l’Arizona. déclaration† Chan est astronome à l’Observatoire Steward de l’Arizona et dirige le projet de la collaboration EHT pour construire une bibliothèque de millions de simulations de trous noirs, qui peuvent ensuite être comparées à une image de la réalité.
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Ces images artificielles sont vitales. Les astronomes n’ont jamais été capables d’imager que deux trous noirs, et il y a tellement de choses à propos de ces trous noirs qui sont incertaines ou inconnues, et certaines caractéristiques des images sont sujettes à interprétation ou sont complètement déroutantes. Au lieu d’un catalogue d’images réelles de trous noirs avec lesquelles comparer, les astronomes utilisent à la place une bibliothèque d’images simulées.
Créer ces simulations était presque aussi complexe que de prendre les vraies images elles-mêmes. Pour assembler la bibliothèque, les astronomes ont fait appel au supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center et à d’autres instruments similaires. Au total, le projet s’est appuyé sur 80 millions d’heures CPU de temps de traitement – l’équivalent de 2 000 ordinateurs portables fonctionnant à pleine vitesse sans interruption pendant une année entière – pour produire 5 millions d’images simulées.
Chacune de ces simulations est unique, modifiant les valeurs de diverses propriétés différentes : le spin du trou noir, la force de son champ magnétique, la quantité de gaz qui tombe dessus, la quantité d’espace-temps déformée par la gravité, le niveau de turbulence dans le disque, et bien d’autres. Les scientifiques ont ensuite effectué 11 tests sur chaque simulation pour voir lesquels correspondent le mieux à l’image réelle.
“Il est remarquable que nous comprenions si bien le Sagittaire A* que certains modèles réussissent 10 des 11 tests”, a déclaré Chan. Cependant, aucun ne passe tous les 11 – il y avait toujours quelque chose que les chercheurs ne pouvaient pas expliquer. En particulier, la plupart des modèles semblaient trébucher sur la quantité de variabilité induite par la turbulence observée dans le disque de plasma chaud entourant Sagittarius A*. Le vrai trou noir semblait être beaucoup plus silencieux que prévu par les simulations.
C’est une caractéristique du Sagittaire A* que les scientifiques essaient toujours de comprendre, bien que Chan ne pense pas qu’un petit mystère soit une mauvaise chose.
“Je pense que c’est plus excitant que si tout fonctionnait simplement”, a-t-il déclaré. “Maintenant, nous pouvons apprendre une nouvelle physique et mieux comprendre notre propre trou noir.”
Il serait peut-être orgueilleux de s’attendre à pouvoir tout comprendre de notre trou noir supermassif local après l’avoir photographié une seule fois. Pourtant, les astronomes ont pu en apprendre beaucoup à ce sujet en partie grâce à ces précieuses simulations.
Nous savons maintenant que le champ magnétique du trou noir a la force d’un aimant de réfrigérateur, mais c’est encore suffisant pour éloigner le gaz qui tombe de sa gueule. Nous savons que la quantité de matière passant au-delà de l’horizon des événements du Sagittaire A* et alimentant le trou noir est relativement minuscule — pendant une conférence de presse révélant l’image du Sagittaire A* tenue à Washington, DC, jeudi 12 mai, les scientifiques de l’EHT ont établi une analogie avec un humain ne mangeant qu’un grain de riz tous les millions d’années. Et nous savons aussi que le Sagittaire A* est probablement en train de tourner – bien qu’il n’y ait pas de mesure directe de cela, toutes les simulations où il n’a pas tourné ont été exclues.
Maintenant, les scientifiques doivent retourner à la planche à dessin pour comprendre pourquoi le disque autour du Sagittaire A* semble moins actif que prévu. C’est un problème complexe, impliquant la rétroaction constante entre le champ magnétique du trou noir et la chute de plasma, et comment le puissant champ gravitationnel affecte cette relation.
Une fois que les scientifiques auront résolu ce mystère, les résultats alimenteront à leur tour leur bibliothèque de trous noirs possibles, et peut-être un jour nous aideront-ils mieux à comprendre d’autres trous noirs lorsqu’ils seront eux aussi imagés.
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