Le Télescope de l'horizon des événements a déjà mesuré la taille et la forme du rayonnement autour de M87*, mais le spin du trou noir et les propriétés du plasma près de l'horizon restent indéterminés. La principale difficulté vient de ce que la température des électrons dépend d'une microphysique que les simulations globales ne captent pas. Autour de ce problème se sont accumulés des travaux sur l'ombre, l'anneau et la polarisation, mais l'indice spectral comme outil de diagnostic a rarement été utilisé. Cette étude se distingue parce qu'elle explore systématiquement la variabilité des cartes spectrales, et pas seulement leurs valeurs moyennes.
Les auteurs ont utilisé un ensemble de simulations tridimensionnelles de disques d'accrétion retenus magnétiquement issues du code EBHLIGHT pour cinq valeurs de spin : -0.9375, -0.5, 0, 0.5, 0.9375. Chaque simulation contenait 500 clichés avec un pas de 10M, ce qui a donné 240 000 images après post-traitement. Le rayonnement a été calculé avec le code IPOLE par tracé de rayons le long des géodésiques, en tenant compte du rayonnement synchrotron, de l'absorption et de la rotation de Faraday. Les électrons étaient décrits soit par une distribution thermique de Maxwell-Jüttner, soit par une distribution non thermique kappa avec un indice fixé à 4.25. La température des électrons était fixée via le rapport à la température des protons avec les paramètres R_low et R_high. Pour chaque paire de fréquences, on a construit des cartes de l'indice spectral et calculé leur moyenne et leur écart-type.
Les modèles thermiques avec R_low=10 montrent une variabilité de l'indice spectral nettement plus forte que les modèles avec R_low=1, indépendamment de la gamme de fréquences. Les modèles non thermiques avec distribution kappa présentent une variabilité encore plus faible en raison de la contribution de la queue en loi de puissance à pente fixe. L'anneau photonique se distingue par un indice spectral plus élevé, souvent proche de zéro ou positif, tandis que les régions externes descendent vers des valeurs négatives jusqu'à -3 dans les modèles thermiques. La comparaison avec l'indice spectral intégré mesuré de -0.30 (+0.56/-0.11) entre 86 et 230 GHz exclut une partie des modèles, par exemple les modèles thermiques avec (a*=0.9375, R_low=10, R_high=10 ou 40) en raison d'une taille trop compacte.
Ce travail se distingue des études voisines par le fait qu'il relie pour la première fois systématiquement la variabilité de l'indice spectral aux paramètres de la distribution électronique. Si les travaux voisins se concentraient sur la forme de l'ombre ou la polarisation, il est montré ici que les futures campagnes cinématographiques de l'EHT pourront distinguer les modèles thermiques des modèles non thermiques par l'amplitude des fluctuations de la pente spectrale. Cela ouvre un nouveau canal de vérification de la microphysique des flots d'accrétion, qui n'avait pas été utilisé jusqu'ici.
Le sujet pourrait évoluer vers la prise en compte de distributions anisotropes des électrons, d'un indice kappa variable et de modèles de chauffage plus réalistes. La prochaine étape consistera à comparer les prédictions aux données réelles de la campagne cinématographique EHT de 2026, lorsque les premières séries temporelles d'images à plusieurs fréquences seront disponibles. Cela permettra d'imposer des contraintes directes sur le spin et les paramètres du plasma.
Les résultats influenceront l'interprétation des observations du Télescope de l'horizon des événements et des futures campagnes multifréquences, ainsi que la modélisation des disques d'accrétion dans d'autres noyaux actifs de galaxies.
Il est nécessaire de comparer ces résultats aux données réelles de la campagne 2026 et d'élargir la grille de modèles en y intégrant des distributions anisotropes et un indice kappa variable.
Ce travail est directement lié au problème non résolu de la détermination du spin du trou noir et du mécanisme de chauffage des électrons dans les flots d'accrétion. Il montre que la variabilité de l'indice spectral peut devenir un nouvel outil pour distinguer les modèles, ce qui constituait jusqu'ici un point faible de l'astrophysique des trous noirs.
L'anneau photonique de M87* a un indice spectral proche de zéro, tandis que les régions externes peuvent atteindre -3, ce qui signifie un changement brutal des propriétés du rayonnement sur une échelle de quelques rayons gravitationnels seulement.