Une toupie lancée sur une table vacille : l'axe de rotation est incliné et le mouvement devient irrégulier. C'est un peu ce qui se passe pour les trous noirs autour desquels tourne un disque de gaz et de poussière. Si les axes de rotation du trou noir et du disque ne coïncident pas, tout le système se met à vibrer, engendrant des ondulations dans l'espace-temps : les ondes gravitationnelles.
Dans cette nouvelle étude, des chercheurs ont pour la première fois calculé sur des superordinateurs de tels systèmes inclinés, en tenant compte à la fois du magnétisme et de la gravité propre du disque. Le disque était massif – jusqu'à 28 % de la masse du trou noir – et le trou lui-même tournait presque à vitesse maximale. Les champs magnétiques qui traversent le disque agissent comme un amortisseur ou un accélérateur selon le sens de rotation. Lorsque le disque tourne dans le même sens que le trou, les champs atténuent l'instabilité. Lorsqu'il tourne en sens inverse, ils la stimulent au contraire, et les ondes gravitationnelles deviennent nettement plus fortes.
Dans tous les modèles, de fins jets de plasma – les jets – s'échappaient des pôles du trou noir, propulsés par les champs magnétiques. Leur direction et leur forme dépendaient de l'inclinaison de l'axe de rotation. De tels systèmes sont des candidats pour être des sources de deux signaux à la fois : les ondes gravitationnelles et le rayonnement électromagnétique des jets. Cela en fait des cibles idéales pour l'astronomie multi-messagers, où un même événement est observé simultanément avec différents instruments.
La collision de deux de ces « toupies » – un trou noir avec un disque incliné – laisse une signature caractéristique dans les ondes gravitationnelles : asymétrique, avec un mode dominant. Les détecteurs de prochaine génération pourront capter cette particularité et distinguer les systèmes inclinés des systèmes bien alignés.
Les champs magnétiques dans le disque autour d'un trou noir peuvent être des milliards de fois plus intenses que celui d'un aimant de frigo – ils sont littéralement enroulés par la rotation du disque.
Dans le film « Interstellar », le trou noir Gargantua est entouré d'un disque d'accrétion lumineux, mais son axe coïncide avec l'axe de rotation du trou – un disque incliné aurait une apparence très différente et produirait des ondes gravitationnelles notables.