An accretion disk is a structure of orbiting matter formed around a massive central body, such as a black hole, by gravitational attraction.Un disque d'accrétion est une structure aplatie en rotation composée de gaz et de plasma, qui se forme lorsque de la matière s'écoule vers un objet compact massif : un trou noir, une étoile à neutrons ou une naine blanche. En raison de la conservation du moment cinétique, le gaz ne tombe pas verticalement, mais se place sur une orbite circulaire et dérive lentement vers l'intérieur, jusqu'à ce que les forces visqueuses (comme l'instabilité magnéto-rotationnelle) redistribuent le moment cinétique vers l'extérieur. La limite interne du disque est déterminée par la dernière orbite circulaire stable, qui pour un trou noir non rotatif est de trois rayons gravitationnels. Plus près du centre, les températures grimpent jusqu'à des dizaines de millions de degrés, et le disque émet un rayonnement X dur et gamma.
La théorie de l'accrétion discale s'est activement développée depuis les années 1960. Le modèle du disque α, devenu standard, a été publié par N. I. Shakura et R. A. Sunyaev en 1973. La découverte des quasars (Maarten Schmidt, 1963) a pointé l'accrétion comme source de leur incroyable luminosité. Les systèmes binaires X (par exemple, Cygnus X-1) sont devenus des laboratoires naturels pour tester la théorie. Des instruments modernes — Hubble, Chandra, Spektr-RG — affinent continuellement le tableau, et le télescope Event Horizon a photographié pour la première fois directement en 2019 le disque autour du trou noir supermassif au centre de M87.
En régime stationnaire, la structure du disque est déterminée par l'équilibre entre la gravité, la pression et la rotation. Pour un disque keplérien, la vitesse angulaire Ω = √(GM/r³). Le flux de rayonnement au rayon r : F(r) = (3GMṀ / 8πr³) [1 − √(r_in/r)], où Ṁ est le taux d'accrétion, r_in le rayon interne (ISCO). La luminosité totale L = GMṀ / (2r_in). Le transport du moment cinétique est assuré par l'instabilité magnéto-rotationnelle (MRI), qui engendre une viscosité turbulente. En champ gravitationnel fort, les corrections de la relativité générale sont importantes : l'ISCO se rapproche de l'horizon pour les trous noirs en rotation, augmentant le rendement énergétique. Une partie de l'énergie peut être extraite de la rotation du trou noir via le mécanisme de Blandford–Znajek et focalisée dans des jets relativistes.
Les disques d'accrétion sont les principales sources d'énergie des quasars et du rayonnement X provenant des systèmes binaires avec des trous noirs et des étoiles à neutrons. Leur étude permet de peser les trous noirs et d'étudier la gravité forte.
Le disque d'accrétion d'un trou noir supermassif peut éclipser la lumière de toutes les étoiles de sa galaxie hôte, alors que le trou lui-même reste complètement sombre.
| P | variable | accretion power — puissance watt |
| η | variable | efficiency of mass-to-energy conversion |
| Ṁ | variable | mass accretion rate — débit massique kilogram per second |
| c | constante | Speed of light in vacuum — vitesse de la lumière = 299792458 metre per second |
| T(r) | variable | disk temperature at radius r — température kelvin |
| r | variable | radial distance from the central object — rayon metre |
| M | variable | mass of the central object — masse kilogram |
| \dot{M} | variable | mass accretion rate — débit massique kilogram per second |
| G | constante | Constant of universal gravitation. — constante gravitationnelle = 6.67430e-11 cubic metre per kilogram per second squared |
| \sigma | constante | Constant relating blackbody radiated power to temperature. — constante de Stefan-Boltzmann = 5.670374419e-8 watt per square metre per kelvin to the fourth |
| r_A | variable | Alfvén radius — rayon metre |
| μ | variable | Magnetic dipole moment of the star — magnetic dipole moment ampere square metre |
| G | variable | Gravitational constant — constante gravitationnelle cubic metre per kilogram per second squared |
| M | variable | Mass of the accreting star — masse kilogram |
| Ṁ | variable | Mass accretion rate — mass accretion rate kilogram per second |
| \dot{M} | variable | mass accretion rate — mass accretion rate kilogram per second |
| M | variable | mass of the gravitating body — masse kilogram |
| \rho_\infty | variable | ambient gas density at infinity — masse volumique kilogram per cubic metre |
| c_s | variable | sound speed in the gas — vitesse metre per second |
| v_{\text{rel}} | variable | relative velocity of the body through the gas — vitesse metre per second |
| G | constante | Newtonian gravitational constant — constante gravitationnelle = 6.67430e-11 cubic metre per kilogram per second squared |
| \lambda | constante | dimensionless accretion efficiency factor of order unity — accretion efficiency = 1 |
| L_{\rm acc} | variable | accretion luminosity — luminosité watt |
| M | variable | mass of the accreting object — masse kilogram |
| \dot{M} | variable | mass accretion rate — débit massique kilogram per second |
| R | variable | radius at which accretion energy is released — rayon metre |
| G | constante | Constant of universal gravitation. — constante gravitationnelle = 6.67430e-11 cubic metre per kilogram per second squared |
