Un team internazionale ha costruito la simulazione più dettagliata e più ad alta risoluzione di un buco nero rotante mai realizzata fino ad oggi.
La simulazione conferma le previsioni teoriche sulla natura dei dischi di accrescimento, quell’enorme quantitativo di gas e polvere cosmica che orbita intorno al buco nero e, infine, vi cade dentro.
La ricerca è stata pubblicata nelle comunicazioni mensili della Royal Astronomical Society.
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.
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 acclusione inclinato, il piano equatoriale del buco nero.
Dopo una corsa globale decennale per provare 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.
Un ordito liscio 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 semplicemente approssimando gli effetti della turbolenza.
“La conferma 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 piccoli, 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 assistente 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 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 del paper.
“Queste simulazioni non risolvono solo un problema vecchio di 40 anni, ma hanno dimostrato che, contrariamente al pensiero tipico, è possibile simulare i dischi di accrescimento più luminosi in pieno accordo con la relatività generale”, ha detto Liska.
“Questo apre la strada a una prossima generazione di simulazioni, che spero risolverà problemi ancora più importanti relativi ai dischi di accrescimento luminosi“.
Allineamento elusivo
Quasi tutti i ricercatori sanno che i buchi neri sono stati individuati studiando i 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. Dai dischi di accrescimento dipende 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 si accoppiano con i loro buchi neri“, ha detto Tchekhovskoy. “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“.
Da Bardeen e Petterson fino ad oggi, le simulazioni erano troppo semplificate per vedere 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, che precipita nel buco nero ad una velocità immensa. Complicando ulteriormente le cose, la rotazione del buco nero costringe lo spazio-tempo a ruotare attorno ad esso.
La contabilità di entrambi questi effetti cruciali richiede la relatività generale, la teoria di Albert Einstein che predice come gli oggetti influenzano la geometria dello spazio-tempo attorno a loro.
Credito: Sasha Tchekhovskoy / Northwestern University; Matthew Liska / Università di Amsterdam
Inoltre, in passato, gli astrofisici disponevano di sufficiente potenza di calcolo per spiegare la turbolenza magnetica o l’agitazione all’interno del disco di accrescimento. Questa agitazione è ciò che fa sì che le particelle del disco si tengano insieme assumendo una forma circolare.
“Immagina che, oltre a questo sottile disco di gas e polveri che si muove nello spazio-tempo, devi risolvere i moti turbolenti all’interno del disco“, ha detto Tchekhovskoy. “Si tratta di una montagna di variabili che rendono il problema davvero difficile da risolvere.”
Senza essere in grado di risolvere queste caratteristiche, gli scienziati computazionali non erano in grado di simulare buchi neri realistici.
Per sviluppare un codice in grado di eseguire simulazioni di dischi di accrescimento titolati attorno ai buchi neri, Liska e Tchekhovskoy hanno usato unità di elaborazione grafica (GPU) invece di unità di elaborazione centrali (CPU).
Estremamente efficienti nel manipolare la computer grafica e l’elaborazione delle immagini, le GPU accelerano la creazione di immagini su un display. Sono molto più efficienti delle CPU per il calcolo di algoritmi che elaborano grandi quantità di dati.
Tchekhovskoy paragona una GPU a 1.000 cavalli e una CPU ad una Ferrari da 1.000 cavalli.
“Diciamo che devi traslocare in un nuovo appartamento“, ha spiegato. “Dovrai fare molti viaggi con questa potente Ferrari perché non si adatta a molte scatole, ma se potessi mettere una scatola su ogni cavallo, potresti muoverli tutti in un unico viaggo, questa è la GPU. Tanti elementi, ognuno dei quali è più lento di quelli della CPU, ma ce ne sono così tanti che, alla fine, lavorano meglio.”
Liska ha inoltre aggiunto un metodo chiamato raffinamento adattivo della mesh, che utilizza una mesh dinamica, o griglia, che cambia e si adatta al flusso di movimento durante la simulazione. Risparmia energia e potenza del computer concentrandosi solo sui blocchi specifici della griglia in cui si verifica il movimento.
Le GPU hanno sostanzialmente accelerato la simulazione e la mesh adattiva ha aumentato la risoluzione. Questi miglioramenti hanno permesso al team di simulare il disco di accrescimento più sottile mai realizzato fino ad oggi, con un rapporto altezza-raggio di 0,03. Quando il disco è stato simulato così sottile, i ricercatori hanno potuto vedere l’allineamento verificarsi proprio accanto al buco nero.
“I dischi più sottili simulati prima avevano un rapporto altezza-raggio di 0,05, noi abbiamo scoperto che tutte le cose interessanti accadono a 0,03“, ha detto Tchekhovskoy.
Sorprendentemente, anche con questi dischi di accrescimento incredibilmente sottili, il buco nero emetteva ancora potenti getti di particelle e radiazioni.
“Nessuno si aspettava che i getti prodotti da questi dischi fossero così sottili“, ha detto Tchekhovskoy. “Ci aspettavamo che i campi magnetici che producono questi getti strappassero solo questi dischi veramente sottili, ma eccoli lì, e questo in realtà ci aiuta a risolvere i misteri osservativi“.
