Dynamique magnétosphérique autour des trous noirs de Kerr : simulations ab initio des épisodes éruptifs // Magnetospheric dynamics around Kerr black holes: ab-initio simulations of eruptive episodes

Le trou noir supermassif Sgr A*, niché au centre de notre Galaxie, est connu pour sa faible activité apparente comparée à celle de ses homologues plus lointains et lumineux, souvent associés à de puissants jets relativistes extragalactiques. Derrière cette apparente quiétude se dissimulent toutefois des éruptions récurrentes de rayonnement infrarouge et X, dont l'origine physique demeure énigmatique. Les observations récentes obtenues par l'Event Horizon Telescope et l'instrument GRAVITY du VLT suggèrent que Sgr A* est plongé dans un plasma chaud et fortement magnétisé. De plus, la détection de points chauds orbitant à quelques rayons gravitationnels du trou noir, en coïncidence temporelle avec les sursauts X, indique que la source de cette activité est localisée dans l'environnement immédiat de l'horizon des événements.

Un scénario prometteur pour expliquer ces phénomènes repose sur la dynamique d'une magnétosphère relativiste formée autour du trou noir. Comme dans le cas des magnétosphères planétaires ou stellaires, celle-ci peut subir des reconfigurations soudaines dues à des épisodes de reconnexion magnétique, lors desquels une partie de l'énergie magnétique est libérée et accélère efficacement le plasma environnant. Des simulations récentes menées au sein de l'équipe ont montré que l'accrétion sphérique du plasma ambiant peut transporter et étirer les lignes de champ magnétique jusqu'à proximité de l'horizon. Lorsque la tension magnétique dépasse l'attraction gravitationnelle, le champ est brutalement expulsé, entraînant une accélération de particules, avant qu'un nouveau cycle d'accrétion et de reconnexion ne s'amorce.

L'objectif de la thèse est d'étendre ce modèle numérique d'accrétion sphérique magnétisée au cas d'un trou noir en rotation rapide en trois dimensions, et d'étudier le rôle du moment cinétique du plasma sur la fréquence et l'intensité des éruptions magnétosphériques. Les signatures radiatives attendues seront également modélisées et comparées aux données observationnelles disponibles, notamment celles de GRAVITY+. Le travail de thèse s'appuiera sur des simulations numériques à échelle exaflopique produites à l'aide du nouveau code particle-in-cell Zeltron++ développé dans l'équipe.
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The supermassive black hole Sgr A*, nestled at the center of our Galaxy, is known for its apparently low activity compared to its more distant and luminous counterparts, which are often associated with powerful extragalactic relativistic jets. Behind this apparent quiescence, however, lie recurrent outbursts of infrared and X-ray radiation, whose physical origin remains enigmatic. Recent observations by the Event Horizon Telescope and the GRAVITY instrument at the VLT suggest that Sgr A* is embedded in a hot, strongly magnetized plasma. Furthermore, the detection of hot spots orbiting just a few gravitational radii from the black hole, temporally coinciding with X-ray flares, indicates that the source of this activity is located in the immediate vicinity of the event horizon.

A promising scenario to explain these phenomena involves the dynamics of a relativistic magnetosphere formed around the black hole. Similar to planetary or stellar magnetospheres, this magnetosphere can undergo sudden reconfigurations due to episodes of magnetic reconnection, during which a portion of the magnetic energy is released and efficiently accelerates the surrounding plasma. Recent simulations conducted by the team have shown that the spherical accretion of ambient plasma can transport and stretch magnetic field lines close to the horizon. When the magnetic tension exceeds gravitational attraction, the field is violently expelled, leading to particle acceleration before a new cycle of accretion and reconnection begins.

The goal of the PhD thesis is to extend this numerical model of magnetized spherical accretion to the case of a rapidly rotating black hole in three dimensions and to study the role of the plasma's angular momentum on the frequency and intensity of magnetospheric flares. The expected radiative signatures will also be modeled and compared with available observational data, particularly from GRAVITY+. The thesis work will rely on exascale numerical simulations produced using the new particle-in-cell code Zeltron++ developed in the team.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

47 PHYS - Physique

Calcul scientifique formel et numérique, physique des plasma, relativité.
Analytical and computational astrophysics, plasma physics, special and general relativity.