Est-ce que les météorologues tentent de suivre l'évolution d'une tornade avec une règle en plastique ? Non. Pourtant, c'est bien de cette manière que les physiciens essayaient de comprendre ce qu'il se passait à la lisière d'un trou noir : en trichant, avec des raccourcis mathématiques qui ne fassent pas exploser leurs processeurs. Mais ça, c'était avant : une équipe du Flatiron Institute vient de s’affranchir de ces artifices en exploitant la puissance de supercalculateurs, nous livrant ainsi les simulations les plus détaillées à ce jour du comportement des trous noirs stellaires.
Pour comprendre la rupture que représente ce travail, il faut saisir le « mensonge » qui était nécessaire aux anciens modèles de simulation des trous noirs. Dans ces zones de chaos absolu, la lumière exerce une pression physique monstrueuse sur le gaz environnant. Dans ce contexte, simuler le trajet de chaque photon dans un espace-temps courbé (suivant la théorie de la relativité d'Einstein), tout en gérant la dynamique d'un plasma magnétisé, demandait une puissance de calcul que nous n'avions pas. Les chercheurs utilisaient donc des approximations mathématiques appliquées à l'opacité et au transport du rayonnement, simplifiant par conséquent la manière dont l'énergie s'échappait pour éviter que leurs calculs soient erronnés.
Pour briser ce plafond de verre, l’équipe du Flatiron Institute, dirigée par Lizhong Zhang, a fait table rase de ces artifices. Plutôt que de lisser les données pour complaire aux limites du hardware, les chercheurs ont développé un algorithme capable de coupler, en temps réel, la magnéto-hydrodynamique aux équations de la relativité générale.
En mobilisant deux des supercalculateurs les plus musclés de la planète, ils ont réussi à traiter la radiation comme une force dynamique bousculant violemment la matière, alors qu'elle n'était, dans les anciennes simulations, qu'une donnée fixe et passive. Un calcul en temps réel de la pression colossale que la lumière exerce sur le gaz à l'approche de l'abîme qui nous permet enfin d’observer la « machinerie » interne du disque d'accrétion (l'anneau de gaz qui gravite autour du trou noir) sans les filtres correcteurs habituels. Leurs travaux ont été publiés le 3 décembre 2025 dans la prestigieuse revue The Astrophysical Journal.
Un entonnoir de radiation caché dans le chaos
Une fois ces barrières logicielles tombées, les simulations ont démontré que le disque d'accrétion est extrêmement opaque, bien plus qu'on ne l'imaginait ; il émet de la lumière tout en la bloquant. Au lieu de rayonner de manière isotrope (dans toutes les directions), l'énergie se retrouve littéralement emprisonnée par la densité du gaz. Les photons sont piégés par des collisions permanentes, incapables de traverser le disque pour s'échapper.
L'énergie s'accumule donc au cœur du flux jusqu'à ce que la pression de radiation devienne si phénoménale qu'elle finit par être expulsée là où la résistance de la matière est quasi nulle : dans l'axe de rotation du trou noir. Canalisé par des champs magnétiques, ce trop-plein d'énergie forme un entonnoir de radiation focalisé (voir représentation ci-dessous).
L'existence de ce flux est un véritable changement de paradigme, puisqu'il est possible que nous interprétions mal ce que nous renvoyaient les trous noirs depuis la Terre. Si notre planète n'est pas située exactement dans l'axe de ce faisceau, nous ne percevons donc qu'une infime fraction du rayonnement total. Un trou noir pouvait alors nous paraître en sommeil, alors qu'il ingèrait en réalité de la matière à un vitesse fulgurante, sa gloutennerie étant contenue et masquée par l'opacité de son propre disque.
Résoudre le mystère des « little red dots »
Grâce à la haute précision de ces simulations, peut-être avons nous sous la main une réponse potentielle à l'un des nouveaux casse-têtes de l'astronomie moderne : les « little red dots », découverts par James Webb. Des galaxies extrêmement compactes et lointaines, datant de l'aube de l'Univers, dont le cœur abriterait des trous noirs supermassifs d'une taille disproportionnée par rapport à leur galaxie hôte.
Le problème, c'est que ces objets sont des paradoxes physiques. En théorie, si des trous noirs de cette envergure devaient chauffer le gaz environnant à des millions de degrés, une signature éclatante dans le spectre des rayons X aurait été repérée par James Webb. En l'occurence, c'est le calme plat : la signature attendue de cette fournaise est quasiment indétectable, laissant les chercheurs face à une impasse. Comment des monstres aussi massisf peuvent-il être en même temps si calmes ?
Peut-être que cette nouvelle simulation éclaire un peu cette question, qui semblait insolvable. Ce calme apparent n'était pas dû à un manque d'activité des trous noirs, mais à l'opacité de leur disque d'accrétion, rendant toute observation impossible. Comme expliqué précédemment, le plasma ne laisse filtrer que des longueurs d'onde plus longues (et donc plus rouges). Ces trous noirs sont bien en train de dévorer la matière, mais ce festin se déroule derrière un rideau de fer qui étouffe leurs rayonnements les plus violents.
Maintenant que l'algorithme a fait ses preuves sur des trous noirs lointains, l'équipe veut l'appliquer au géant qui trône au centre de notre propre galaxie : Sagittarius A*. Si les modèles actuels de notre voisinage reposent encore sur des « raccourcis mathématiques » que l'équipe vient de briser, il y a fort à parier que les prédictions issues de ces simulations contraignent différemment les campagnes d’observation à venir. Nous ne saurons jamais ce qu'il se passe après un trou noir, mais nous comprenons enfin pourquoi Einstein n’avait aucune envie de regarder trop près de l'horizon des événements. « Je n’avais pas les moyens de vérifier ce que vous pouvez désormais calculer », aurait-il certainement dit entre deux bouffées de pipe, hésitant entre fièreté et satisfaction.
Source : Science Alert
