Conformément aux prédictions de la relativité générale, les derniers résultats de recherche sur le trou noir M87 sont publiés dans Nature

Le 27 septembre, le magazine Nature a publié les derniers résultats de recherche d'une équipe de recherche scientifique internationale composée de 45 institutions. En analysant les données d'observation de 2000 à 2022, il a été constaté que le jet du trou noir au centre de la galaxie M87 présente une oscillation périodique avec une période d'oscillation d'environ 11 ans et une amplitude d'environ 10 degrés. Ce phénomène est conforme à la prédiction de la théorie de la relativité générale d'Einstein selon laquelle "si le trou noir est dans un état de rotation, il provoquera un effet de traînée dans le cadre de référence". Ce résultat de recherche fournit des preuves observationnelles solides de l’existence du spin du trou noir M87 (Figure 1). Cui Yuzhu, chercheur postdoctoral au laboratoire de Zhijiang, est le premier auteur et auteur correspondant de l'article.

Figure 1 Diagramme schématique du modèle de disque d'accrétion incliné. Supposons que l'axe de rotation du trou noir soit verticalement vers le haut, que la direction du jet soit presque perpendiculaire à la surface du disque d'accrétion et qu'il existe un certain angle entre l'axe de rotation du trou noir et l'axe de rotation de l'accrétion. disque, qui est un modèle de disque d'accrétion incliné. L'angle entre les directions du moment cinétique du trou noir et du disque d'accrétion déclenche la précession du disque d'accrétion et du jet. (Source : Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse et Zhijiang Laboratory)

Capturé avec succès la précession périodique du jet

Le 10 avril 2019, des astronomes de nombreux endroits à travers le monde ont annoncé simultanément Le première photo d'un trou noir. Il est situé au centre de la galaxie voisine M87, à 55 millions d’années-lumière de la Terre, et est 6,5 milliards de fois plus massif que le Soleil. Ces trous noirs supermassifs sont l’un des objets les plus mystérieux et destructeurs de l’univers. Leur gravité est énorme et ils « mangent » une grande quantité de matière à travers le disque d’accrétion, en même temps, ils « crachent » la matière à des milliers d’années-lumière à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, formant ainsi la matière. jets.

"Un étrange rayon droit émanait du centre d'un point de lumière brumeux." En 1918, les astronomes ont observé pour la première fois des jets dans M87, le premier jet cosmique observé par l'homme. Quel est le mécanisme de transfert d’énergie entre les trous noirs supermassifs, les disques d’accrétion et les jets ? Cette question intrigue les physiciens et les astronomes depuis plus d’un siècle.

Actuellement, la théorie largement acceptée par les scientifiques estime que le moment cinétique des trous noirs est la source d'énergie. Une possibilité est que s'il y a un champ magnétique près du trou noir et que le trou noir est dans un état de rotation, un champ électrique sera généré comme un conducteur coupant les lignes de champ magnétique, accélérant ainsi la matière ionisée autour du trou noir, et éventuellement une partie de la matière sera éjectée avec une énergie énorme. Parmi eux, la rotation des trous noirs supermassifs est un facteur clé de cette théorie. Cependant, les paramètres de rotation des trous noirs sont extrêmement difficiles à mesurer, et il n’existe toujours aucune preuve observationnelle directe si le trou noir est dans un état de rotation.

Afin d'étudier ce problème complexe, des chercheurs ont étudié le trou noir supermassif et ses jets au centre de la galaxie M87. Grâce à l'interférométrie à très longue base (VLBI) avec une résolution angulaire ultra-élevée, les astronomes ont résolu la structure du jet très proche du trou noir. En analysant les données d'observation du VLBI de 2000 à 2022, les chercheurs ont réussi à capturer la précession périodique du jet dans M87 (Figure 2) (Précession : un corps rigide en rotation est soumis à l'action d'une force externe, faisant tourner son axe de rotation autour de la rotation. phénomène dans un certain centre).

Quelle force peut régulièrement changer la direction de ce puissant jet ? Après une analyse approfondie, l'équipe de recherche a conclu que la réponse au problème pourrait être cachée dans les propriétés dynamiques du disque d'accrétion. Les matériaux ayant un certain moment cinétique orbiteront autour du trou noir et formeront un disque d'accrétion. En raison de la gravité du trou noir, ils continueront à s'approcher du trou noir jusqu'à ce qu'ils soient irréversiblement « aspirés » dans le trou noir. Cependant, le moment cinétique du disque d'accrétion peut être affecté par divers facteurs aléatoires, et il est très probable qu'il présente un certain angle avec l'axe de rotation du trou noir. Cependant, la très forte gravité du trou noir aura un impact significatif sur l'espace-temps environnant, provoquant le déplacement des objets proches dans la direction de rotation du trou noir, ce qui est « l'effet de traînée du cadre de référence » prédit par l'équation générale d'Einstein. théorie de la relativité, déclenchant ainsi l'accrétion. Le disque et les jets précessent périodiquement.

Contenu réécrit : Selon les résultats de la recherche de Yuzhu Cui et al. (2023), la figure 2 montre la structure des jets fusionnés du M87 tous les deux ans de 2013 à 2018 (la bande de fréquence d'observation est de 43 GHz). L'année correspondante est marquée dans le coin supérieur gauche de chaque sous-figure. La flèche blanche indique l'angle de position du jet. Le graphique ci-dessous est le meilleur ajustement basé sur des images fusionnées sur une base annuelle de 2000 à 2022. Les points verts et bleus représentent respectivement les données dans les bandes de fréquences d'observation de 22 GHz et 43 GHz. La ligne rouge représente le meilleur résultat d'ajustement selon le modèle de précession

L'équipe de recherche a mené un grand nombre d'investigations et d'analyses théoriques détaillées basées sur les résultats d'observation et, combinées aux propriétés du M87, ont utilisé des superordinateurs pour effectuer les dernières simulations numériques. Les résultats des simulations numériques confirment que lorsqu'il y a un angle entre l'axe de rotation du disque d'accrétion et l'axe de rotation du trou noir, l'ensemble du disque d'accrétion va précéder en raison de l'effet de traînée du référentiel, et le jet va également être affecté par le disque d’accrétion. La détection de la précession du jet peut fournir des preuves observationnelles solides de la rotation du trou noir au centre de M87, apportant ainsi une nouvelle compréhension des propriétés des trous noirs supermassifs.

Révéler davantage les mystères des trous noirs nécessite une aide informatique

« Nous sommes très heureux et chanceux de pouvoir faire cette découverte majeure en 2017, alors que je traitais les données EAVN de la galaxie M87. , j'ai remarqué que la structure du jet était très différente des orientations précédentes. À partir de ce moment-là, nous avons commencé six années de traitement de données détaillé, d'études théoriques approfondies et d'innombrables discussions avec des collaborateurs. " , Cui Yuzhu, chercheur postdoctoral au laboratoire de Zhijiang, a déclaré cela parce que l'angle entre l'axe de rotation du trou noir et le moment cinétique du disque d'accrétion est petit et la période de précession dépasse dix ans, 23 ans de données à haute résolution ont été accumulées et la structure de M87 a été soigneusement analysée, qui sont conditions nécessaires pour atteindre ce résultat. Cui Yuzhu a déclaré que nous sommes très reconnaissants pour l'aide et le soutien de nombreux collaborateurs, ainsi que pour les précieux avis des rédacteurs et des critiques de la revue. Il convient de mentionner que l'un des critiques de notre article est James Moran, une légende dans le domaine de la recherche en radioastronomie VLBI

Il est rapporté que ce travail a utilisé le réseau VLBI d'Asie de l'Est (EAVN), le réseau américain Very Long 170 données d'observation provenant de plusieurs réseaux d'observation internationaux, notamment le Baseline Array (VLBA), le KVN de Corée du Sud et le VERA Joint Array (KaVA) du Japon, ainsi que le réseau d'observation conjoint EATING de l'Asie de l'Est à l'Italie/Russie. le monde fournit cette recherche contribuée.

Figure 3 Répartition des télescopes participant à cet article dans le réseau VLBI d'Asie de l'Est (Source : Kazuhiro Hada, Yuzhu Cui et al. 2023)

Coordinateur du groupe de travail scientifique de l'EAVN sur les noyaux galactiques actifs Le Dr Motoki Kino de l'Université Nihon Kogakuin a déclaré : « Il s'agit d'une étape scientifique passionnante. Grâce à des années d'observations conjointes par des chercheurs de 45 institutions à travers le monde, nous avons enfin révélé ce mystère scientifique. Les données d'observation et les prédictions de la précession Le modèle s'adapte parfaitement et fait progresser considérablement notre compréhension des trous noirs et des systèmes de jets. "Sur la base de ces travaux, nous prédisons qu'il y a beaucoup plus de trous noirs au centre des galaxies avec des disques d'accrétion inclinés de la même manière. Cependant, comment détecter davantage de corps célestes avec Les disques inclinés sont confrontés à de plus grands défis. Il reste encore de nombreux mystères qui nécessitent des observations à plus long terme et une analyse plus détaillée. " Le chercheur Shen Zhiqiang de l'Observatoire astronomique de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences est une unité de coopération importante pour cette réalisation. " Le radiotélescope Shigatse de 40 mètres de l'Observatoire de Shanghai, dont la construction a récemment commencé, améliorera encore les capacités d'observation par imagerie à ondes millimétriques haute résolution de l'EAVN une fois terminé, et devrait conduire à davantage de découvertes astronomiques. Yuzhu a déclaré que la structure fine du disque d'accrétion et la valeur précise de la rotation du trou noir supermassif M87 restent à étudier plus en détail. Ces recherches ultérieures reposent sur la recherche d’un très grand nombre de paramètres physiques et nécessitent le soutien d’une puissance de calcul super intelligente.

Actuellement, le laboratoire Zhijiang a construit la plate-forme ouverte d'astronomie informatique intelligente FAST@ZJLAB, qui rassemble 17 algorithmes intelligents pour construire BlinkVerse "blinkverse.alkaidos.cn", ChemiVerse dans des domaines tels que les sursauts radio rapides et l'astrochimie et autres. bases de données scientifiques et a établi un canal de transmission stable avec China Sky Eye FAST, et les mégadonnées astronomiques continuent de se rassembler.

Li Yan, scientifique en chef de China Sky Eye FAST et scientifique en chef de l'informatique astronomique au laboratoire du Zhejiang, a déclaré qu'à mesure que de plus en plus de radiotélescopes seront construits, les données d'observation vont exploser, de sorte que la recherche astronomique deviendra de plus en plus importante. L'informatique intelligente a besoin d'autant plus de soutien. Le laboratoire Zhijiang introduit l'intelligence artificielle, le cloud computing et d'autres technologies dans la recherche astronomique pour améliorer l'efficacité du traitement des données et élargir l'espace d'exploration des paramètres physiques. Nous pensons que l'intégration profonde de la science informatique et de la radioastronomie favorisera efficacement la révélation de la nature de phénomènes mystérieux dans l'univers tels que les trous noirs

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