Buchi neri: getti di materia simulati in laboratorio al CERN

La collaborazione Fireball ha utilizzato la struttura HiRadMat del CERN per produrre un analogo dei getti di materia e antimateria che fuoriescono da alcuni buchi neri e stelle di neutroni.

Getti di buchi neri simulati in laboratorio

Presso la struttura HiRadMat del CERN, i ricercatori hanno creato un fascio di plasma di elettroni e positroni ad alta densità che imita i getti astrofisici dei buchi neri, offrendo nuove intuizioni sui fenomeni spaziali. Questi esperimenti aiutano a convalidare modelli teorici con dati del mondo reale, aprendo la strada a una comprensione più approfondita di eventi cosmici come i getti dei buchi neri.

Al centro di una galassia attiva risiede un buco nero supermassiccio che inghiotte la materia circostante. In circa un decimo di queste galassie, il buco nero emette anche getti di materia a velocità prossime a quella della luce. Si ritiene che questi getti relativistici contengano, tra gli altri elementi, un plasma di coppie elettrone-positrone, ovvero elettroni e i loro equivalenti di antimateria, i positroni.

Si ritiene anche che questo plasma relativistico di elettroni e positroni modelli la dinamica e il bilancio energetico del buco nero e del suo ambiente. Ma come questo avvenga esattamente resta poco compreso, poiché è difficile sia misurare il plasma con osservazioni astronomiche sia simularlo con programmi per computer.

In uno studio pubblicato di recente su Nature Communications, Charles Arrowsmith e i colleghi della collaborazione Fireball hanno riferito di come hanno utilizzato la struttura HiRadMat del CERN per produrre un fascio relativistico di plasma elettroni-positroni che consente di studiare questo mezzo in dettaglio in esperimenti di laboratorio.

Galassia attiva Centaurus A, con getti di plasma che fuoriescono dal suo buco nero centrale. Crediti: ESO/WFI (ottico), MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al. (submillimetrico), NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al. (raggi X), buchi neri
Galassia attiva Centaurus A, con getti di plasma che fuoriescono dal suo buco nero centrale. Crediti: ESO/WFI (ottico), MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al. (submillimetrico), NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al. (raggi X)

CERN: getti di buchi neri simulati con trilioni di protoni

I fasci relativistici di coppie elettrone-positrone possono essere creati in vari modi in diversi tipi di laboratori, tra cui strutture laser ad alta potenza. Tuttavia, nessuno dei metodi esistenti può produrre il numero di coppie elettrone-positrone necessarie per sostenere un plasma, uno stato della materia in cui le particelle costituenti sono collegate in modo molto lasco.

Senza sostenere il plasma, i ricercatori non possono studiare come questi analoghi dei getti di buchi neri cambiano mentre si muovono attraverso un equivalente di laboratorio del mezzo interstellare. Questa indagine è fondamentale per spiegare le osservazioni dei telescopi terrestri e spaziali.

Per realizzare i loro esperimenti presso la struttura HiRadMat del CERN, Arrowsmith e il suo team hanno ideato un metodo innovativo. In un solo nanosecondo, hanno estratto dal Super Proton Synchrotron del laboratorio ben trecento miliardi di protoni, lanciandoli poi su un bersaglio di grafite e tantalio. Questo ha innescato una cascata di interazioni tra le particelle, generando un numero smisurato di coppie elettrone-positrone.

Misurando il fascio relativistico di elettroni e positroni risultante con una serie di strumenti e confrontando il risultato con sofisticate simulazioni al computer, Arrowsmith e colleghi hanno dimostrato che il numero di coppie elettroni-positroni nel fascio (oltre diecimila miliardi) è da dieci a cento volte maggiore di quanto precedentemente ottenuto, superando per la prima volta il numero necessario per sostenere lo stato del plasma.

Arrowsmith ha dichiarato: “Si ritiene che i plasmi di elettroni e positroni giochino un ruolo cruciale nei getti astrofisici, tuttavia le simulazioni al computer di questi fenomeni non hanno mai trovato riscontro in esperimenti di laboratorio. Validare le simulazioni attraverso esperimenti concreti è fondamentale, poiché semplificazioni apparentemente ragionevoli nei calcoli computazionali possono talvolta condurre a conclusioni diametralmente opposte”.

Il risultato è il primo di una serie di esperimenti che la collaborazione Fireball sta conducendo presso HiRadMat.

Verso nuovi orizzonti nell’astrofisica con la simulazione di getti di buchi neri

Il coautore e ricercatore principale Gianluca Gregori ha aggiunto: “L’idea di base di questi esperimenti è riprodurre in laboratorio la microfisica di fenomeni astrofisici come i getti dei buchi neri e delle stelle di neutroni. Quello che sappiamo di questi fenomeni deriva quasi esclusivamente da osservazioni astronomiche e simulazioni al computer, ma i telescopi non possono realmente sondare la microfisica e le simulazioni implicano approssimazioni. Esperimenti di laboratorio come questi sono un ponte tra questi due approcci”.

Il prossimo obiettivo di Arrowsmith e colleghi nell’ambito delle ricerche sul plasma presso HiRadMat è di far propagare questi potenti getti attraverso un plasma lungo un metro e osservare come l’interazione tra di essi generi campi magnetici che accelerano le particelle nei getti: uno dei più grandi enigmi dell’astrofisica delle alte energie.

Alice Goillot responsabile operativa della struttura ha concluso: “Gli esperimenti Fireball sono una delle ultime aggiunte al portfolio di HiRadMat. Non vediamo l’ora di continuare a riprodurre questi rari fenomeni utilizzando le proprietà uniche del complesso di acceleratori del CERN”.

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