Il motore che alimenta i getti di energia dei buchi neri

Paradossalmente, i buchi neri, quei famigerati divoratori di luce e materia, vomitano luce e materia verso l'esterno con potenza ed efficienza senza pari. Alimentano sottili fasci di plasma chiamati getti che si estendono per migliaia di anni luce nello spazio, formando segmenti luminosi visibili in tutto il cosmo

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Paradossalmente, i buchi neri, quei famigerati divoratori di luce e materia, vomitano luce e materia verso l’esterno con potenza ed efficienza senza pari. Alimentano sottili fasci di plasma chiamati getti che si estendono per migliaia di anni luce nello spazio, formando segmenti luminosi visibili in tutto il cosmo.

I fisici sanno perché le cose entrano: i buchi neri hanno così tanta gravità da intrappolare anche la luce. Ma il motivo per cui i getti fuoriescono dai bordi di molti buchi neri si è dimostrato molto più difficile da capire.

Uno dei più grandi misteri dell’universo è il modo in cui i buchi neri lanciano i getti“, ha detto Sara Issaoun, astrofisica presso la Radboud University, nei Paesi Bassi.

Ora, grazie al lavoro di Issaoun e dei suoi colleghi del team di osservazione del buco nero dell’Event Horizon Telescope (EHT), il mistero ha iniziato a svelarsi.

Diverse settimane fa, l’EHT ha pubblicato la sua seconda foto di un buco nero, un’altra vista dello stesso anello infuocato punteggiato dall’oscurità visto nel 2019.

Entrambe le immagini mostrano il plasma incandescente attorno al buco nero supermassiccio al centro della galassia M87, il cui getto enorme si alza dalla struttura. A differenza della prima foto, l’anello nella nuova immagine ha delle strisce, che indicano che la luce è fortemente polarizzata.



Gli esperti affermano che il modello a spirale delle strisce deriva da un campo magnetico forte e ordinato disposto attorno al buco nero M87 e che questa rappresenta la prima significativa prova empirica a favore di una popolare teoria sull’espulsione dei getti vecchia 44 anni, nota come Blandford.

Roger Blandford e Roman Znajek, giovani fisici dell’Università di Cambridge nel 1977, hanno sostenuto che la rotazione dei buchi neri supermassicci torce i campi magnetici in una stretta elica, e che questa torsione crea una tensione che attira energia verso l’alto e fuori dal buco e lungo l’elica. Questo, hanno affermato, è il jet – e un grande asterisco sull’idea ingenua che nulla sfugga ai buchi neri.

Un anello arancione con strisce intrecciate.

Le strisce di luce polarizzata attorno al buco nero di M87 rivelano i forti campi magnetici all’opera. – Collaborazione EHT

All’epoca, tutti gli ingredienti del processo erano speculativi, ma le nuove osservazioni confermano l’idea di Blandford-Znajek.

Quello che vediamo nella nostra immagine è una polarizzazione ordinata in una forma a spirale“, ha detto Issaoun, che è stato coinvolto nell’analisi delle misurazioni della polarizzazione. “E anche la forma del campo magnetico è a spirale … il che significa che è in grado di lanciare un getto“.


Inoltre, le nuove osservazioni indicano una delle due versioni rivali del processo Blandford-Znajek che sono state sviluppate ed esplorate in centinaia di simulazioni al computer negli ultimi decenni, note come scenari di lancio di jet MAD e SANE. Queste idee concorrenti dipingono immagini opposte dell’ambiente di un buco nero e, in particolare, dell’origine e della forza del suo campo magnetico.

I modelli SANE, che assumono campi più deboli, sono stati a lungo considerati più plausibili. Ma la luce fortemente polarizzata nella nuova foto dell’Event Horizon Telescope punta a forti campi magnetici, e quindi alla versione MAD degli eventi. La nuova immagine “sembra favorire pesantemente i modelli MAD“, ha detto Alexander Chen, astrofisico teorico presso l’Università del Colorado che non fa parte di EHT.

C’è altro da scoprire sui getti dei buchi neri e sul loro ruolo nel cosmo. Le opinioni divergono su diversi elementi dello scenario MAD che lascia molte domande senza risposta alle quali i ricercatori contano di rispondere con le simulazioni di prossima generazione.

Il buco nero in M87 ha all’incirca le dimensioni del nostro sistema solare“, ha detto Issaoun, eppure produce una corrente di plasma incandescente di 5.000 anni luce. Circa 3 trilioni di trilioni di trilioni di joule di energia fluiscono sul getto ogni secondo – 500 trilioni di volte più energia di quanto l’intera popolazione umana bruci in un decennio. “Come può qualcosa di così piccolo essere così potente?

L’elica del vento

Il jet di M87 è stato il primo mai scoperto.

Heber Curtis lo osservò nel 1918 – “un curioso raggio dritto” che emana dal centro di una nebbiosa macchia di luce che Curtis, un paio d’anni dopo, aiutò a identificare come una galassia oltre la nostra. La possibilità teorica dei buchi neri – ostacoli nel tessuto altrimenti liscio dello spazio-tempo – era stata immaginata solo due anni prima, ma Blandford e Znajek impiegarono 60 anni per collegare i buchi neri ai jet.

Una linea arancione attraverso il cielo notturno che termina in grandi macchie diffuse su entrambe le estremità.

I getti che emergono dalla galassia Cygnus A creano enormi macchie interstellari, visibili qui nelle onde radio. – NRAO / AUI / NSF

Gli astrofisici alla fine avrebbero confermato che i buchi neri supermassicci, in effetti, ancorano le galassie, ma all’epoca Blandford e Znajek stavano speculando – non solo sulla presenza di buchi neri, ma anche sulle loro capacità di generazione di jet. “Il problema di base è che hai bisogno di una fonte di energia“, ha detto Blandford, che ora è professore alla Stanford University, in una videochiamata.

Il matematico Roy Kerr aveva risolto le equazioni per un buco nero rotante nel 1963, dimostrando che il buco, mentre gira invisibilmente, trascina con sé il tessuto dello spazio-tempo.

Quindi Roger Penrose ha dimostrato che la rotazione dei buchi neri può rallentare e che così facendo trasforma l’energia di rotazione in qualcos’altro. “Entrambi abbiamo capito il processo di Penrose“, ha detto Blandford, che ha dimostrato che i buchi neri “non sono membrane unidirezionali, per così dire; puoi estrarre l’energia di spin. Abbiamo mostrato un modo per farlo con i campi elettromagnetici“.

Sapevano che un grande buco nero al centro di una galassia, a causa della sua enorme gravità, attirera una grande quantità di gas interstellare. Il gas cade verso il buco nero e ruotaattorno ad esso, formando un “disco di accrescimento”. Il gas poi si riscalda, diventando così caldo che gli atomi perdono i loro elettroni, creando un plasma che trasporta i campi magnetici.

Con le equazioni di Kerr in mano, Blandford e Znajek hanno dimostrato che quando le linee del campo magnetico dal disco di accrescimento cadono sul buco nero rotante, la rotazione del buco nero avvolgerà le linee del campo in un’elica orientata lungo l’asse di rotazione del buco. I campi magnetici in movimento generano una tensione, quindi una corrente di elettroni e positroni inizierà a fluire attraverso l’elica lontano dal buco nero in entrambe le direzioni. Questo è il jet.

Nel 1977, la proposta di Blandford e Znajek sembrava funzionare sulla carta. “Il solo proporre che questo potesse essere ciò che accade è stato un enorme passo avanti“, ha detto Chen. Ma nessuno sapeva se fosse vero.

Ordine e caos

Con il miglioramento della potenza di calcolo negli anni ’80 e ’90, i ricercatori hanno utilizzato il processo Blandford-Znajek nelle simulazioni. Ma ogni ingrediente – il buco nero rotante, il campo magnetico, la luce e la materia nel disco di accrescimento – era variabile e nessuno conosceva la ricetta giusta.

All’inizio, negli anni ’80, i ricercatori hanno magnetizzato leggermente i dischi di accrescimento nelle loro simulazioni. In questi modelli – in seguito soprannominati SANE, un acronimo per “evoluzione stabile e normale” – il plasma vortica attorno al buco nero come l’acqua attorno a uno scarico, e con esso turbinano linee di campo magnetico fluttuanti, orientate in modo casuale.

La turbolenza del campo fa sì che le particelle si scontrino e perdano energia e momento angolare, consentendo loro di cadere nel buco nero invece di orbitare attorno ad esso. Quando il plasma cade, fornisce deboli linee di campo magnetico al foro. Le linee di campo si accumulano gradualmente su di esso e vengono trattenute dall’afflusso di plasma. Alla fine il buco nero attorciglia questo campo abbastanza da lanciare un jet.

Poi, alla fine degli anni ’90, ricercatori come Ramesh Narayan dell’Università di Harvard hanno iniziato ad aumentare la forza del campo magnetico attorno ai loro buchi neri simulati solo per vedere cosa sarebbe successo.

Questi fisici hanno scoperto che quando il campo è abbastanza forte, diventa coerente piuttosto che turbolento e controlla il disco di accrescimento piuttosto che il contrario. Le linee del campo magnetico formano un campo di forza letterale attorno al buco nero, fungendo da manicotto per un getto e impedendo anche al plasma di cadere nel foro.

La materia a volte trova un’apertura, improvvisamente barcolla attraverso la barriera magnetica e scivola nell’abisso. Ma per la maggior parte, il disco è bloccato. Queste simulazioni divennero note come “dischi ad arresto magnetico” o modelli MAD.

Per molto tempo la gente ha pensato che lo scenario SANE fosse più naturale“, ha detto Andrew Chael, fisico alla Princeton University e membro del team EHT specializzato in modelli MAD.

Il gas caldo che va alla deriva verso il buco nero “non sta cadendo in modo coerente“, ha detto, quindi non c’era motivo di aspettarsi che il magnetismo migrando verso l’interno con il gas si combinasse in qualcosa di ordinato e forte. “Cinque anni fa, tutti facevano principalmente simulazioni SANE“, ha detto Chael.

Ma la nuova immagine della luce polarizzata proveniente dal buco nero di M87 dell’Event Horizon Telescope punta fermamente nella direzione MAD.

La luce polarizzata vibra su un unico piano, tipicamente dopo essere riflessa da una superficie o quando emessa da particelle cariche i cui percorsi si curvano in modo uniforme in un campo magnetico.

Il motivo a spirale nella foto trasmette che il piano di vibrazione della luce ruota mentre guardi in diversi punti attorno all’anello, esattamente come previsto se le particelle che irradiano la luce ruotano attorno a linee di campo magnetico che hanno a loro volta un modello a spirale coerente.

Una situazione SANE, con campi deboli e turbolenti creerebbe un modello di polarizzazione molto più debole. Così com’è, il campo in tutta la regione è forte – tanto quanto la metà di quello di un magnete da frigorifero, ha detto Issaoun, “ma ha anche le dimensioni di un sistema solare“.

La retta via

Per comprendere l’origine del campo magnetico stranamente forte attorno al buco di M87 (e potenzialmente tutti gli altri buchi neri supermassicci con getti), gli specialisti devono prima decifrare il codice del modello di polarizzazione a strisce. “In questo momento le persone stanno cercando molto duramente di dedurre attraverso il reverse engineering come sono i campi“, ha detto Chen.

Nel frattempo, altri ricercatori hanno iniziato a ridurre la situazione della MAD; stanno simulando una regione più ampia attorno al buco nero per studiare come le stelle potrebbero generare i campi magnetici che migrano verso il centro. “Collegare questo [magnetismo] a scale più grandi sarà una cosa davvero importante nei prossimi anni“, ha detto Chael.

Con l’approccio opposto, un trio di giovani ricercatori – Sasha PhilippovBenoît Cerutti e Kyle Parfrey – stanno ingrandendo le particelle cariche che sparano dal getto. Le loro dettagliate simulazioni a livello di particelle, che richiedono milioni di ore di CPU, suggeriscono che le particelle derivano principalmente da collisioni di fotoni sopra i poli del buco nero, rubando energia dal buco mentre vengono sparate verso l’esterno.

Lo studio delle particelle può essere necessario per elaborare la struttura complessiva dei getti e il loro effetto sulle galassie e sullo spazio intergalattico che attraversano. Molti getti sono sottili e luminosi su tutta la loro lunghezza.

Come brilla? Come lo vediamo?” Si chiede Chen. Nel caso del jet dell’M87, “lo vediamo molto chiaramente nel cielo. A volte si spezza in nodi, a volte è continuo, ma è notevolmente dritto e sottile. Capirlo ci aiuterà sicuramente a capire come interagisce con il mezzo galattico e intergalattico, ad esempio come trasferisce energia alla galassia“.

La collaborazione EHT continuerà a guidare questi sforzi. Entro la fine di quest’anno hanno in programma di pubblicare uno sguardo al buco nero al centro della nostra galassia, una bestia silenziosa chiamata Sagittario A * che può o meno avere un debole getto.

Le osservazioni successive del buco nero di M87 mostreranno come l’ambiente di quel buco varia nel tempo, il che limita la velocità con cui ruota.

Anche se la storia dei getti dei buchi neri viene scritta, il senso di meraviglia dei fisici su di loro sembra, finora, immutato. “Devi solo guardare questi jet“, ha detto Blandford, che continua a teorizzare su di loro. “Sono cose dritte. Sono come linee nel cielo, alcune. … È sorprendente che la natura sia in grado di realizzare queste strutture. Sì, sono impressionato“.