Una visualizzazione da una simulazione di supercomputer mostra come i positroni si comportano vicino all'orizzonte degli eventi di un buco nero rotante.
(Immagine: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
L'attrazione gravitazionale di un buco nero è così forte che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire una volta che si avvicina troppo. Tuttavia, c'è un modo per sfuggire a un buco nero, ma solo se sei una particella subatomica.
Mentre i buchi neri assorbono la materia nei loro dintorni, sputano anche potenti getti di plasma caldo contenenti elettroni e positroni, l'equivalente antimateria degli elettroni. Poco prima che quelle particelle in arrivo fortunate raggiungano l'orizzonte degli eventi, o il punto di non ritorno, iniziano ad accelerare. Avvicinandosi alla velocità della luce, queste particelle rimbalzano sull'orizzonte degli eventi e si scagliano verso l'esterno lungo l'asse di rotazione del buco nero.
Conosciuti come getti relativistici, questi enormi e potenti flussi di particelle emettono luce che possiamo vedere con i telescopi. Sebbene gli astronomi abbiano osservato i getti per decenni, nessuno sa esattamente come le particelle in fuga ottengano tutta quell'energia. In un nuovo studio, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in California hanno fatto luce sul processo. [I buchi neri più strani nell'universo]
"Come si può estrarre l'energia nella rotazione di un buco nero per creare getti?" Kyle Parfrey, che ha guidato le simulazioni del buco nero durante il suo periodo come borsista post-dottorato presso il Berkeley Lab, ha dichiarato in una nota. "Questa è una domanda da molto tempo." Parfrey è ora ricercatore senior presso il Goddard Space Flight Center della NASA nel Maryland.
Per cercare di rispondere a questa domanda, Parfrey e il suo team hanno ideato una serie di simulazioni di supercomputer che "hanno combinato teorie vecchie di decenni per fornire nuove informazioni sui meccanismi di guida nei getti al plasma che consentono loro di rubare energia dai potenti campi gravitazionali dei buchi neri e spingerlo lontano dalle loro bocche spalancate ", hanno detto i funzionari della LBNL nella dichiarazione. In altre parole, hanno studiato come l'estrema forza gravitazionale di un buco nero possa dare alle particelle così tanta energia da iniziare a irradiarsi.
"Le simulazioni, per la prima volta, uniscono una teoria che spiega come le correnti elettriche attorno a un buco nero trasformano i campi magnetici in getti formanti, con una teoria separata che spiega come le particelle che attraversano il punto di non ritorno di un buco nero - l'orizzonte degli eventi - possono sembra che un osservatore distante porti energia negativa e riduca l'energia di rotazione complessiva del buco nero ", hanno detto i funzionari LBNL. "È come mangiare uno spuntino che ti fa perdere calorie anziché acquisirle. Il buco nero in realtà perde massa a causa del consumo di queste particelle di" energia negativa ".
Parfrey ha affermato di aver combinato le due teorie nel tentativo di fondere la normale fisica del plasma con la teoria della relatività generale di Einstein. Le simulazioni dovevano affrontare non solo l'accelerazione delle particelle e la luce proveniente dai getti relativistici, ma dovevano anche tenere conto del modo in cui i positroni e gli elettroni sono creati in primo luogo: attraverso le collisioni di fotoni ad alta energia, come i raggi gamma. Questo processo, chiamato produzione di coppia, può trasformare la luce in materia.
"I risultati delle nuove simulazioni non sono radicalmente diversi da quelli delle vecchie ... simulazioni, il che è, in un certo senso, rassicurante", Robert Penna, ricercatore presso il Center for Theoretical Astrophysics della Columbia University che non era coinvolto nello studio , ha scritto in un relativo articolo "Punti di vista" sulla rivista Physical Review Letters.
"Tuttavia, Parfrey et al. Scoprono alcuni comportamenti interessanti e nuovi", ha detto Penna. "Ad esempio, trovano una grande popolazione di particelle le cui energie relativistiche sono negative, come misurato da un osservatore lontano dal buco nero. Quando queste particelle cadono nel buco nero, l'energia totale del buco nero diminuisce."
C'è stata una sorpresa, però. Le simulazioni di Parfrey mostrano che ci sono così tante di queste particelle di energia negativa che fluiscono nel buco nero "che l'energia che estraggono cadendo nel buco è paragonabile all'energia estratta dall'avvolgimento del campo magnetico", ha detto Penna. "È necessario un lavoro di follow-up per confermare questa previsione, ma se l'effetto delle particelle di energia negativa è forte come affermato, potrebbe alterare le aspettative per gli spettri di radiazione dai getti del buco nero."
Parfrey e il suo team hanno in programma di migliorare ulteriormente i loro modelli confrontando le simulazioni con le prove osservative di osservatori come il nuovo Event Horizon Telescope, che mira a catturare le prime foto di un buco nero. "Hanno anche in programma di ampliare il campo di applicazione delle simulazioni per includere il flusso di materia in espansione attorno all'orizzonte degli eventi del buco nero, noto come il suo flusso di accrescimento", hanno detto i funzionari LBNL.
"Speriamo di fornire un quadro più coerente di tutto il problema", ha detto Parfrey.
Lo studio è stato pubblicato mercoledì (23 gennaio) in Physical Review Letters.
