I buchi neri sono una delle forze più straordinarie e misteriose dell'Universo. Originariamente previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein, questi punti nello spazio-tempo si formano quando stelle massicce subiscono il collasso gravitazionale alla fine della loro vita. Nonostante decenni di studio e osservazione, c'è ancora molto che non sappiamo di questo fenomeno.
Ad esempio, gli scienziati sono ancora in gran parte al buio su come si comporta la materia che cade in orbita attorno a un buco nero e viene gradualmente alimentata (dischi di accrescimento). Grazie a un recente studio, in cui un team internazionale di ricercatori ha condotto fino ad oggi le simulazioni più dettagliate di un buco nero, sono state infine convalidate una serie di previsioni teoriche relative ai dischi di accrescimento.
Il team era composto da astrofisici computazionali dell'Istituto Anton Pannekoek per l'astronomia dell'Università di Amsterdam, dal Centro per l'esplorazione interdisciplinare e la ricerca interdisciplinari in astrofisica (CIERA) e dall'Università di Oxford. I loro risultati di ricerca sono apparsi nel numero del 5 giugno del Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
Tra le loro scoperte, il team ha confermato una teoria originariamente proposta nel 1975 da James Bardeen e Jacobus Petterson, che è diventato noto come Effetto Bardeen-Petterson. Secondo questa teoria, il team ha scoperto che mentre la regione esterna di un disco di accrescimento rimarrà inclinata, la regione interna del disco si allineerà con l'equatore del suo buco nero.
Per dirla semplicemente, tutto ciò che i ricercatori sanno sui buchi neri è stato appreso studiando i dischi di accrescimento. Senza questi brillanti anelli di gas e polvere, è improbabile che gli scienziati siano in grado di individuare i buchi neri. Inoltre, la crescita e la velocità di rotazione di un buco nero dipendono anche dal suo disco di accrescimento, il che rende lo studio essenziale per comprendere l'evoluzione e il comportamento dei buchi neri.
Come Alexander Tchekhovskoy, un
Da quando Bardeen e Petterson hanno proposto la loro teoria, le simulazioni del buco nero hanno sofferto di una serie di problemi che hanno impedito loro di determinare se questo allineamento ha luogo. Prima di tutto, quando i dischi di accrescimento si avvicinano all'orizzonte degli eventi, accelerano a velocità enormi e si muovono attraverso regioni deformate dello spaziotempo.
Un secondo problema che complica ulteriormente le cose è il fatto che la rotazione di un buco nero costringe lo spazio-tempo a ruotarlo attorno. Entrambi questi problemi richiedono che gli astrofisici spieghino gli effetti della relatività generale, ma rimane il problema della turbolenza magnetica. Questa turbolenza fa sì che le particelle del disco si mantengano insieme in una forma circolare e
Fino ad ora, gli astrofisici non avevano la potenza di calcolo per tenere conto di tutto ciò. Per sviluppare un codice robusto in grado di eseguire simulazioni che rappresentavano il GR e la turbolenza magnetica, il team ha sviluppato un codice basato su unità di elaborazione grafica (GPU). Rispetto alle convenzionali unità di elaborazione centrale (CPU), le GPU sono molto più efficienti nell'elaborazione delle immagini e negli algoritmi di elaborazione che elaborano grandi quantità di dati.
Il team ha anche incorporato un metodo chiamato affinamento della mesh adattiva, che consente di risparmiare energia concentrandosi solo su blocchi specifici in cui si verifica il movimento e si adatta di conseguenza. Per illustrare la differenza, Tchekhovskoy ha confrontato GPU e
"Diciamo che devi trasferirti in un nuovo appartamento. Dovrai fare molti viaggi con questa potente Ferrari perché non si adatta a molte scatole. Ma se potessi mettere una scatola su ogni cavallo, puoi spostare tutto in una volta. Questa è la GPU. Ha molti elementi, ognuno dei quali è più lento di quelli della CPU, ma ce ne sono tanti. ”
Ultimo, ma non meno importante, il team ha eseguito la simulazione utilizzando i supercomputer Blue Waters presso il National Center for Supercomputing Applications (NCSA) dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. Quello che hanno scoperto è che mentre la regione esterna di un disco può essere piastrellata, la regione interna sarà allineata con l'equatore del buco nero e un ordito uniforme li collegherà.
Oltre a chiudere un dibattito di lunga data sui buchi neri e sui loro dischi di accrescimento, questo studio mostra anche che i progressi dell'astrofisica sono progrediti dai tempi di Bardeen e Petterson. Come ha riassunto Matthew Liska, un ricercatore:
“Queste simulazioni non solo risolvono un problema di 40 anni, ma hanno dimostrato che, contrariamente al pensiero tipico, è possibile simulare i dischi di accrescimento più luminosi nella piena relatività generale. Questo apre la strada a una prossima generazione di simulazioni, che spero risolveranno problemi ancora più importanti che circondano i dischi di accrescimento luminoso. "
Il team ha risolto il mistero di lunga data dell'effetto Bardeen-Petterson assottigliando il disco di accrescimento ad un livello senza precedenti e prendendo in considerazione la turbolenza magnetizzata che provoca l'accodamento del disco. Le simulazioni precedenti hanno reso una sostanziale semplificazione semplicemente avvicinando gli effetti della turbolenza.
Inoltre, le simulazioni precedenti hanno funzionato con dischi assottigliati con un rapporto altezza-raggio minimo di 0,05, mentre gli effetti più interessanti osservati da Tchekhovskoy e dai suoi colleghi si sono verificati una volta che il disco è stato diluito a 0,03. Con loro sorpresa, il team ha scoperto che anche con dischi di accrescimento incredibilmente sottili, il buco nero emetteva ancora getti di particelle e radiazioni ad una porzione della velocità della luce (ovvero getti relativistici).
Come ha spiegato Tchekhovskoy, questa è stata una scoperta piuttosto inaspettata:
“Nessuno si aspettava che i jet fossero prodotti da questi dischi con spessori così lievi. La gente si aspettava che i campi magnetici che producono questi getti attraversassero questi dischi davvero sottili. Ma eccoli qui. E questo in realtà ci aiuta a risolvere i misteri osservativi. "
Con tutte le recenti scoperte che gli astrofisici hanno fatto riguardo ai buchi neri e ai loro dischi di accrescimento, si potrebbe dire che stiamo vivendo nella seconda "Golden Age of Relativity". E non sarebbe esagerato dire che i profitti scientifici di tutte queste ricerche potrebbero essere immensi. Comprendendo come la materia si comporta nelle condizioni più estreme, ci stiamo avvicinando sempre più all'apprendimento di come le forze fondamentali dell'Universo si incastrano.
