Le monde doublement déformé des trous noirs binaires (vidéo)

Une paire de trous noirs en orbite des millions de fois la masse du Soleil exécute une danse hypnotique dans cette visualisation de la NASA.

Le film montre comment les trous noirs déforment et redirigent la lumière émanant du maelström de gaz chaud – appelé disque d’accrétion – qui entoure chacun d’eux. Vu de près du plan orbital, chaque disque d’accrétion prend un aspect déformé caractéristique.

Mais à mesure que l’un passe devant l’autre, la gravité du trou noir de premier plan transforme son partenaire en une séquence d’arcs en évolution rapide. Ces distorsions se jouent alors que la lumière des disques d’accrétion navigue dans le tissu emmêlé de l’espace et du temps près des trous noirs. Le binaire simulé contient deux trous noirs supermassifs, un plus grand avec 200 millions de masses solaires et un plus petit compagnon pesant la moitié moins.

Les astronomes pensent que ce type de système de trous noirs est celui dans lequel les deux membres pourraient maintenir un disque d’accrétion de longue durée. Les disques ont des couleurs différentes, rouge et bleu, pour faciliter le suivi des sources lumineuses, mais le choix reflète également la réalité.

Le gaz en orbite autour des trous noirs de masse inférieure subit des effets plus forts qui produisent des températures plus élevées. Pour ces masses, les deux disques d’accrétion émettraient en fait la plupart de leur lumière dans les UV, le disque bleu atteignant une température légèrement plus élevée. Des visualisations comme celle-ci aident les scientifiques à imaginer les conséquences fascinantes du miroir funhouse de l’extrême gravité. Vu presque dans le sens des bords, les disques d’accrétion semblent nettement plus brillants d’un côté.

La distorsion gravitationnelle modifie les chemins de la lumière provenant de différentes parties des disques, produisant une image déformée. Le mouvement rapide du gaz près du trou noir modifie la luminosité du disque grâce à un phénomène appelé Doppler augmentant un effet de la théorie de la relativité d’Einstein qui éclaire le côté tournant vers le spectateur et assombrit le côté qui tourne. Le film montre également un phénomène plus subtil appelé aberration relativiste.

Les trous noirs semblent plus petits lorsqu’ils s’approchent du spectateur et plus grands lorsqu’ils s’éloignent. Ces effets disparaissent lors de la visualisation du système d’en haut, mais de nouvelles fonctionnalités émergent. Les deux trous noirs produisent de petites images de leurs partenaires qui les entourent à chaque orbite. En regardant de près, il est clair que ces images sont en fait des vues de bord. Pour les produire, la lumière des trous noirs doit être redirigée de 90 degrés, ce qui signifie que nous observons les trous noirs de deux perspectives différentes – face dessus et bord dessus – en même temps.

Zoomer sur chaque trou noir révèle de multiples images de plus en plus déformées de son partenaire. La visualisation, créée par l’astrophysicien Goddard Jeremy Schnittman, impliquait de calculer le chemin emprunté par les rayons lumineux des disques d’accrétion alors qu’ils se frayaient un chemin à travers l’espace-temps déformé autour des trous noirs.

Sur un ordinateur de bureau moderne, les calculs nécessaires pour créer les images vidéo auraient pris environ une décennie. Schnittman a donc fait équipe avec le scientifique des données Goddard Brian P. Powell pour utiliser le supercalculateur Discover au centre de simulation climatique de la NASA.

En utilisant seulement 2% des 129 000 processeurs de Discover, ces calculs ont pris environ une journée. Les astronomes s’attendent à ce qu’un jour ils seront capables de détecter les ondes gravitationnelles – des ondulations dans l’espace-temps – produites lorsque deux trous noirs supermassifs dans un système un peu comme celui que Schnittman a représenté en spirale ensemble et fusionnent.

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