Accélération de particules dans les magnétosphères de trous noirs de Kerr

Particle acceleration in Kerr black hole magnetospheres

• Auteur / Autrice : Benjamin Crinquand
• Direction : Guillaume Dubus, Benoït Cerutti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilues
• Date : Soutenance le 09/07/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Gilles Henri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Monika Moscibrodzka, Frédéric Vincent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Daigne, Serguei Komissarov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Trous noirs (astronomie)

Mots clés libres

Rayonnement

Trous noirs

Simulations

Radiation

Black holes

Simulations

Résumé

Les trous noirs sont à l'origine de nombreux phénomènes astrophysiques de haute énergie, tels que les noyaux actifs de galaxie (AGN). L'activité des trous noirs se manifeste souvent par le lancement d'un jet relativiste de particules énergétiques. Cependant, les mécanismes de formation des jets et d'accélération de particules restent mal compris. Si les trous noirs n'étaient autrefois observés qu'indirectement, à travers leur impact sur leur environnement, la situation a considérablement évolué ces dernières années grâce aux récents progrès instrumentaux. Des télescopes Tcherenkov ont détecté des éruptions de rayonnement non thermique de très haute énergie, variant sur de faibles échelles de temps, en provenance d'AGN. Par ailleurs, la collaboration GRAVITY a rapporté la présence d'un point chaud en orbite près du trou noir supermassif Sgr A*, tandis que le jet émis par le trou noir supermassif M87* a pu être observé par interférométrie radio jusqu'à des échelles proches de l'horizon des événements du trou noir. Finalement, en avril 2019, la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) a publié la première image de « l'ombre » de M87*. Pour la première fois, le voisinage immédiat du trou noir a pu être résolu spatialement. Pour modéliser cette activité, l'un des scénarios les plus prometteurs implique un trou noir en rotation rapide immergé dans un champ magnétique à grande échelle: c'est le mécanisme de Blandford-Znajek. L'entraînement de l'espace-temps et des lignes de champ magnétique par le trou noir induit une différence de potentiel entre ses pôles, pouvant alimenter un vent électromagnétique et déclencher l'accélération de particules. Les excellentes performances des supercalculateurs les plus récents permettent désormais de tester ce scénario dans les moindres détails. Jusqu'à présent, seule l'approche magnétohydrodynamique a été utilisée pour modéliser les magnétosphères de trous noirs. Ces simulations ont montré avec succès la viabilité du mécanisme d'extraction électromagnétique de l'énergie de rotation du trou noir. Cependant, elles demeurent incapables d'étudier l'accélération de particules énergétiques. Nous utilisons plutôt l'approche « particle-in-cell » (PIC), afin de modéliser un plasma à partir de principes fondamentaux. Tous les processus plasma impliqués dans l'accélération des particules peuvent être simulés sans aucune approximation physique. Une telle approche est justifiée lorsque le plasma est non collisionnel, comme aux environs du trou noir supermassif au centre de notre galaxie. Les simulations PIC ont été utilisées avec succès pour étudier l'accélération de particules dans les magnétosphères de pulsars, mais elles n'ont jamais été employées dans ce contexte.Dans cette thèse, j'ai utilisé le code PIC Zeltron, qui est le premier code cinétique multidimensionnel incluant complètement la relativité générale. J'ai amélioré Zeltron en y incluant la possibilité de suivre des photons individuels, et j'ai implémenté un module Monte-Carlo afin de traiter rigoureusement le transfert radiatif. Je présente des simulations globales de gaps dans une magnétosphère de trou noir, qui prouvent que le mécanisme de Blandford-Znajek peut effectivement être activé de manière auto-cohérente. J'ai localisé la position de ces gaps et montré que la création de paires se produit de manière intermittente, sur des échelles inférieures au rayon du trou noir. Je présente également des simulations dans une configuration magnétique plus réaliste, prouvant que l'énergie électromagnétique peut être dissipée très efficacement par reconnexion magnétique. Finalement, afin de combler le fossé entre les simulations et les observations, j'ai couplé Zeltron avec un code de tracé de rayons, ce qui me permet d'utiliser directement les résultats de simulations cinétiques pour produire des courbes de lumière et des images synthétiques.

Black holes are the central engines of many high-energy astrophysical phenomena, such as active galactic nuclei. Black-hole activity often manifests itself through the launch of a relativistic jet filled with energetic particles. How jets form and accelerate particles remains poorly understood. Although black holes used to be observed only indirectly through their impact on their environment, the situation has dramatically evolved in recent years, due to formidable progress in astronomical instrumentation. The advent of ground-based Cherenkov telescopes proved that AGN could produce highly variable flares of non-thermal very high-energy radiation. The GRAVITY collaboration reported the detection of a flaring hotspot orbiting near the supermassive black hole Sgr A*, whereas radio interferometers have been able to track the jet emitted by the supermassive black hole M87* almost down to the event horizon. Then, in April 2019, the Event Horizon Telescope (EHT) collaboration released the first image of the ``shadow'' of M87*. For the first time, the immediate vicinity of the black hole was spatially resolved.To account for this activity, one of the most promising scenarios (the Blandford-Znajek mechanism) involves a rapidly spinning black hole immersed in a large-scale magnetic field. The dragging of space-time and magnetic field lines by the black hole induces a potential drop between its poles, which can power an electromagnetic outflow and trigger particle acceleration. Thanks to the recent growth of computing power, it is now possible to test this scenario in great detail. Up to now, the magnetohydrodynamic approach has been mainly used to model black-hole magnetospheres. Such simulations have confirmed that the rotational energy of black holes can be electromagnetically extracted. However, they are unable to study particle acceleration by construction. Instead, we employ the “particle-in-cell” (PIC) approach to model a plasma from first principles. All the plasma processes involved in particle acceleration can be captured without physical approximations. This approach is relevant to collisionless plasmas, such as found near the supermassive black hole at the center of our Galaxy. PIC simulations have been successfully used to study particle acceleration in pulsar magnetospheres, but they were never employed in this context.In this thesis, I have used the general-relativistic PIC code Zeltron, which is the first multi-dimensional kinetic code capable of evolving particles and fields in curved spacetime. I have upgraded Zeltron by including the possibility to track individual photons and implemented Monte-Carlo modules to treat radiative transfer accurately. I show global simulations of gaps in a black-hole magnetosphere, which prove that the Blandford-Znajek mechanism can indeed be activated self-consistently. I have pinpointed the location of the spark gaps and showed that pair creation occurs intermittently, on scales smaller than the radius of the black hole. I also present simulations in a more realistic magnetic configuration, proving that magnetospheres can dissipate electromagnetic energy efficiently through magnetic reconnection. Besides, to bridge the gap between simulations and observations, I have coupled Zeltron with a ray-tracing code, allowing me to directly use the outcome of kinetic simulations to produce synthetic lightcurves and images.