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Le simulazioni di buco nero più dettagliate di sempre, risolvono un mistero di lunga data

Per la prima volta, i ricercatori dimostrano l’ipotesi del 1975 che i dischi di accrescimento si allineano con i loro buchi neri.

Un team internazionale ha costruito la simulazione più dettagliata a più alta risoluzione di un buco nero fino ad oggi. La simulazione dimostra previsioni teoriche sulla natura dei dischi di accrescimento – la materia che orbita e alla fine cade in un buco nero – che non è mai stata vista prima. La ricerca pubblicherà il 5 giugno nelle comunicazioni mensili della Royal Astronomical Society .

Si tratta della conferma del cosiddettoeffetto Bardeen-Petterson, proposto nel 1975 dal premio Nobel per la fisica John Bardeen e dall’astrofisico Jacobus Petterson ma mai verificato. Benché possano sembrare sottigliezze, ricostruire l’esatta dinamica dei dischi di accrescimento è la chiave per comprendere come si evolvono e come funzionano in generale i buchi neri.

Tra i risultati, il team di astrofisici computazionali della Northwestern University, l’Università di Amsterdam e l’Università di Oxford hanno scoperto che la regione più interna di un disco di accrescimento si allinea con l’equatore del buco nero.

disco di accrescimento del buco nero
Questa immagine mostra come la regione interna del disco di accrescimento (rosso) si allinei con il piano equatoriale del buco nero. Il disco esterno è inclinato in altra direzione, mentre il disco interno è orizzontale, segnalando l’allineamento di Bardeen-Petterson. Crediti: S. Tchekhovskoy/Un. Northwestern, Matthew Liska/Un. Amsterdam

Questa scoperta risolve un mistero di lunga data, originariamente presentato dal fisico vincitore del premio Nobel John Bardeen e dall’astrofisico Jacobus Petterson nel 1975. All’epoca, Bardeen e Petterson sostenevano che un buco nero rotante avrebbe causato l’allineamento con la regione interna di un disco di accrescimento inclinato. Il piano equatoriale del suo buco nero.

Dopo una corsa globale decennale per trovare il cosiddetto effetto Bardeen-Petterson, la simulazione della squadra ha rilevato che, mentre la regione esterna di un disco di accrescimento rimane inclinata, la regione interna del disco si allinea con il buco nero. Una trama liscia collega le regioni interne ed esterne. Il team ha risolto il mistero assottigliando il disco di accrescimento a un livello senza precedenti e includendo la turbolenza magnetizzata che causa l’accelerazione del disco. Le precedenti simulazioni hanno apportato una sostanziale semplificazione approssimando gli effetti della turbolenza.

simulazione buco nero
La simulazione mostra come la regione interna del disco di accrescimento si allinei con il piano equatoriale del buco nero. Crediti: S. Tchekhovskoy/Un. Northwestern, Matthew Liska/Un. Amsterdam

“Questa scoperta pionieristica dell’allineamento di Bardeen-Petterson porta alla chiusura di un problema che ha perseguitato la comunità di astrofisica per più di quattro decenni”, ha detto Alexander Tchekhovskoy della Northwestern, che ha co-diretto la ricerca. “Questi dettagli attorno al buco nero possono sembrare insignificanti, ma incidono enormemente su ciò che accade nella galassia nel suo complesso: controllano la velocità di rotazione dei buchi neri e di conseguenza, l’effetto dei buchi neri sulle loro galassie”.

Tchekhovskoy è un professore di fisica e astronomia nel Weinberg College of Arts and Sciences del Northwestern e membro del CIERA (Centro per l’esplorazione interdisciplinare e la ricerca in astrofisica), un centro di ricerca dotato della Northwestern focalizzato sull’avanzamento degli studi di astrofisica con enfasi sulle connessioni interdisciplinari. Matthew Liska, ricercatore presso l’Istituto di astronomia Anton Pannenkoek dell’Università di Amsterdam, è il primo autore dell’articolo.

“Queste simulazioni non risolvono solo un problema di 40 anni, ma hanno dimostrato che contrariamente al senso comune è possibile simulare i dischi di accrescimento più luminosi in accordo con la relatività generale. Questo apre la strada a una prossima generazione di simulazioni, che spero risolverà problemi ancora più importanti relativi ai dischi di accrescimento luminosi”. ha affermato Liska.

Allineamento elusivo

Quasi tutti i ricercatori sanno che i buchi neri sono stati compresi studiando dischi di accrescimento. Senza l’anello intensamente brillante di gas, polvere e altri detriti stellari che turbinano intorno ai buchi neri, gli astronomi non sarebbero in grado di individuare un buco nero per studiarlo. I dischi di accrescimento controllano anche la crescita e la velocità di rotazione di un buco nero, quindi capire la natura dei dischi di accrescimento è la chiave per capire come i buchi neri si evolvono e funzionano.

“L’allineamento influisce sul modo in cui i dischi di accrescimento accoppiano i loro buchi neri, In tal modo influisce sul modo in cui lo spin di un buco nero si evolve nel tempo e lancia deflussi che influenzano l’evoluzione delle galassie ospiti”, ha affermato Tchekhovskoy.

Da Bardeen e Petterson fino ad oggi, le simulazioni sono state troppo semplificate per trovare l’allineamento del piano. Due questioni principali hanno rappresentato un ostacolo per gli astrofisici computazionali. Per esempio, i dischi di accrescimento si avvicinano così tanto al buco nero che si muovono attraverso lo spazio-tempo deformato, il quale si precipita nel buco nero ad una velocità relativistica. Come se non bastasse, la rotazione del buco nero costringe lo spazio-tempo a ruotargli intorno. Tenendo in considerazione entrambi questi effetti cruciali è necessario l’intervento della relatività generale, la teoria di Albert Einstein che predice come gli oggetti influenzano la geometria dello spazio-tempo attorno a loro.

In secondo luogo, gli astrofisici non hanno avuto modo di fare calcoli per spiegare la turbolenza magnetica o l’agitazione all’interno del disco di accrescimento. Questa agitazione è causa del fatto che le particelle del disco restino insieme in una forma circolare e causi la caduta del gas dentro il buco nero.

“Immaginiamo di avere un disco sottile e determinare i moti turbolenti all’interno del disco. Diventa un problema davvero difficile.” ha affermato Tchekhovskoy.

Senza risolvere queste caratteristiche nella simulazione, gli scienziati computazionali non sarebbero stati in grado di simulare realisticamente i buchi neri.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. “Bardeen-Petterson alignment, jets and magnetic truncation in GRMHD simulations of tilted thin accretion discs,” was supported by the National Science Foundation (award numbers 1615281, OAC-1811605 and PHY-1125915), the Netherlands Organisation for Scientific Research, The Royal Society and NASA.
  2. The Blue Waters supercomputers at the National Center for Supercomputing Applications at the University of Illinois at Urbana-Champaign.

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