C’è dell’ironia nel fatto che gli oggetti più scuri del cielo – i buchi neri – possano essere responsabili di alcune delle luci più luminose dell’Universo. Le simulazioni dei campi magnetici che circondano i buchi neri e le stelle di neutroni hanno ora fornito nuove intuizioni sulla loro straordinaria luminosità.
Gli astrofisici della Columbia University di New York hanno sviluppato un modello che mostra come gli elettroni che fanno un giro sulle montagne russe cosmiche attraverso le turbolenze magnetiche possono generare onde di radiazione sorprendentemente energetiche.
Questo modello, applicato al caos vorticoso che circonda oggetti densi come i buchi neri, aiuta a spiegare perché li vediamo brillare così luminosi, in un modo che finora è sfuggito a spiegazioni.
Non c’è dubbio che almeno una parte di quella luminosità provenga da particelle che si muovono freneticamente nel disco di gas e polvere che circonda un buco nero.
Le particelle cariche che si agitano in quei detriti vorticosi possono generare alcuni campi magnetici davvero strani, incanalando il materiale in getti che espellono queste particelle a distanza di anni luce nello spazio, a velocità che le fanno brillare per la forte radiazione elettromagnetica.
Ma tra lo spettro di fotoni emessi dallo spazio attorno ad alcuni buchi neri e stelle di neutroni ci sono onde che non possono essere facilmente spiegate. Sono troppo energetiche per essere termiche e non sembrano provenire da zone in cui vengono convogliati gas e polvere.
Questo non vuol dire che non ci sono altri modi in cui la materia può essere accelerata alle velocità che emetterebbero il giusto livello di radiazione elettromagnetica.
“La turbolenza e la riconnessione magnetica – un processo in cui le linee del campo magnetico si strappano e si riconnettono rapidamente – operano insieme per accelerare le particelle, aumentandole a velocità che si avvicinano alla velocità della luce“, afferma uno dei due ricercatori dello studio, Luca Comisso.
Se pensiamo alle file ordinate di linee che appaiono quando si sparge limatura di ferro attorno a un magnete permanente, i campi magnetici sono come corsie per particelle cariche.
Muovi quei magneti in modo disordinato e imprevedibile, e quelle strade degli elettroni si disconnetteranno e si riconnetteranno l’una con l’altra.
Il caos di turbolenti campi magnetici intorno al nostro pianeta ha contribuito a spiegare un mucchio di fenomeni astrofisici in passato, come dove va l’energia degli elettroni ad alta velocità quando questi si scontrano con la nostra magnetosfera.
“È grazie al campo elettrico indotto dalla riconnessione e dalla turbolenza che le particelle vengono accelerate alle energie più estreme, molto più elevate rispetto ai più potenti acceleratori sulla Terra, come il Large Hadron Collider al CERN“, afferma Comisso.
Visti i risultati ottenuti altrove, è un’idea allettante esplorare la fisica ad alta energia prodotta dai buchi neri. L’unico problema è che l’imprevedibile contorcersi di turbolenti campi magnetici non è esattamente la cosa più semplice da modellare matematicamente.
Per semplificare il compito, i ricercatori hanno suddiviso i movimenti delle particelle in un plasma in unità che possono essere calcolate più facilmente.
“Abbiamo usato la tecnica più precisa – il metodo particle-in-cell – per calcolare le traiettorie di centinaia di miliardi di particelle cariche che dettano in modo coerente i campi elettromagnetici“, afferma il collega di Comisso, Lorenzo Sironi.
“Ed è proprio questo campo elettromagnetico che dice loro come muoversi”
I loro risultati hanno mostrato come gli elettroni che si muovono avanti e indietro attraverso gli imprevedibili spaghetti magnetici potrebbero potenzialmente generare le energie necessarie per le radiazioni ben oltre ciò che il calore potrebbe generare da solo.
La maggior parte di quell’energia extra, hanno dimostrato, proviene da movimenti casuali a velocità estremamente elevate. Mentre le particelle cariche si curvano, emettono potenti onde di radiazione elettromagnetica.
“Questa è davvero la radiazione emessa intorno ai buchi neri e alle stelle di neutroni che li fanno brillare, un fenomeno che possiamo osservare sulla Terra“, afferma Sironi.
Uno degli oggetti più strani nel nostro universo sono i resti molto densi di una supernova al centro della Nebulosa del Granchio.
I due ricercatori hanno ora in programma di applicare i loro risultati direttamente allo spettro della nebulosa, nel tentativo di mostrare come il suo enigma possa essere spiegato solo dalla turbolenza.
“Abbiamo scoperto un’importante connessione tra turbolenza e riconnessione magnetica per accelerare le particelle, ma c’è ancora tanto lavoro da fare“, afferma Comisso.
Questa ricerca è stata pubblicata su The Astrophysical Journal.
