I buchi neri sono stati una fonte infinita di fascino da quando la Teoria della relatività generale di Einstein ha predetto la loro esistenza. Negli ultimi 100 anni, lo studio dei buchi neri è notevolmente aumentato, ma il timore e il mistero di questi oggetti rimangono. Ad esempio, gli scienziati hanno notato che in alcuni casi, i buchi neri hanno enormi getti di particelle cariche che emanano da essi che si estendono per milioni di anni luce.
Questi "getti relativistici" - così chiamati perché spingono particelle cariche ad una frazione della velocità della luce - hanno confuso gli astronomi per anni. Ma grazie a un recente studio condotto da un team internazionale di ricercatori, sono stati acquisiti nuovi approfondimenti su questi jet. Coerentemente con la relatività generale, i ricercatori hanno dimostrato che questi getti gradualmente precessivano (cioè cambiano direzione) a seguito del trascinamento dello spazio-tempo nella rotazione del buco nero.
Il loro studio, intitolato "Formation of Precessing Jets by Tilted Black Hole Discs in 3D Relativistic MHD Simulazioni", è apparso di recente nella Avvisi mensili della Royal Astronomical Society. Il team era composto da membri del Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) presso la Northwestern University.
Per motivi di studio, il team ha condotto simulazioni utilizzando il supercomputer Blue Waters presso l'Università dell'Illinois. Le simulazioni che hanno condotto sono state le prime a modellare il comportamento dei getti relativistici provenienti da Supermassive Black Holes (SMBH). Con quasi un miliardo di celle computazionali, è stata anche la simulazione della più alta risoluzione di un buco nero in crescita mai realizzato.
Come ha spiegato Alexander Tchekhovskoy, un assistente professore di fisica e astronomia presso il Weinberg College of Arts and Sciences del Northwestern, in un recente comunicato stampa di Northwestern Now:
“Comprendere come i buchi neri rotanti trascinano lo spazio-tempo attorno a loro e come questo processo influenzi ciò che vediamo attraverso i telescopi rimane un enigma cruciale, difficile da decifrare. Fortunatamente, le scoperte nello sviluppo del codice e i balzi nell'architettura dei supercomputer ci stanno avvicinando sempre di più alla ricerca delle risposte. "
Proprio come tutti i buchi neri di Supermassive, gli SMBH che ruotano rapidamente inghiottono regolarmente la materia. Tuttavia, i buchi neri che ruotano rapidamente sono anche noti per il modo in cui emettono energia sotto forma di getti relativistici. La materia che alimenta questi buchi neri forma un disco rotante attorno a loro - aka. un disco di accrescimento - che è caratterizzato da gas caldi, energizzati e linee di campo magnetico.
È la presenza di queste linee di campo che consente ai buchi neri di spingere energia sotto forma di questi getti. Poiché questi getti sono così grandi, sono più facili da studiare rispetto ai buchi neri stessi. In tal modo, gli astronomi sono in grado di capire quanto velocemente cambia la direzione di questi getti, il che rivela cose sulla rotazione dei buchi neri stessi, come l'orientamento e le dimensioni dei loro dischi rotanti.
Le simulazioni al computer avanzate sono necessarie quando si tratta di studiare i buchi neri, soprattutto perché non sono osservabili alla luce visibile e sono in genere molto distanti. Ad esempio, il SMBH più vicino alla Terra è il Sagittario A *, che si trova a circa 26.000 anni luce di distanza al centro della nostra galassia. Pertanto, le simulazioni sono l'unico modo per determinare il funzionamento di un sistema altamente complesso come un buco nero.
Nelle simulazioni precedenti, gli scienziati hanno operato supponendo che i dischi del buco nero fossero allineati. Tuttavia, la maggior parte degli SMBH ha trovato dischi inclinati, ovvero i dischi ruotano attorno ad un asse separato rispetto al buco nero stesso. Questo studio è stato quindi fondamentale in quanto ha mostrato come i dischi possano cambiare direzione rispetto al loro buco nero, portando a getti di precessione che cambiano periodicamente la loro direzione.
Questo era precedentemente sconosciuto a causa della quantità incredibile di potenza di calcolo necessaria per costruire simulazioni 3D della regione che circonda un buco nero in rapida rotazione. Con il supporto di una sovvenzione della National Science Foundation (NSF), il team è stato in grado di raggiungere questo obiettivo utilizzando Blue Waters, uno dei più grandi supercomputer al mondo.
Con questo supercomputer a loro disposizione, il team è stato in grado di costruire il primo codice di simulazione del buco nero, che ha accelerato utilizzando unità di elaborazione grafica (GPU). Grazie a questa combinazione, il team è stato in grado di eseguire simulazioni con il più alto livello di risoluzione mai raggiunto, ovvero vicino a un miliardo di celle di calcolo. Come ha spiegato Tchekhovskoy:
“L'elevata risoluzione ci ha permesso, per la prima volta, di garantire che i movimenti turbolenti del disco su piccola scala siano accuratamente catturati nei nostri modelli. Con nostra sorpresa, questi movimenti si sono rivelati così forti da far ingrassare il disco e arrestare la precessione del disco. Ciò suggerisce che la precessione può verificarsi a raffiche. "
La precessione dei getti relativistici potrebbe spiegare perché in passato sono state osservate fluttuazioni di luce provenienti da buchi neri - che sono conosciute come oscillazioni quasi periodiche (QPO). Questi raggi, scoperti per la prima volta da Michiel van der Klis (uno dei coautori dello studio), funzionano in modo molto simile ai raggi di un quasar, che sembrano avere un effetto stroboscopico.
Questo studio è uno dei tanti condotti sui buchi neri rotanti in tutto il mondo, il cui scopo è di comprendere meglio le scoperte recenti come le onde gravitazionali, che sono causate dalla fusione dei buchi neri. Questi studi vengono anche applicati alle osservazioni dell'Event Horizon Telescope, che ha catturato le prime immagini dell'ombra del Sagittario A *. Ciò che riveleranno è sicuro di eccitare e stupire, e potenzialmente approfondire il mistero dei buchi neri.
Nel secolo scorso, lo studio dei buchi neri è aumentato considerevolmente, dagli studi puramente teorici agli studi indiretti degli effetti che hanno sulla materia circostante, allo studio delle onde gravitazionali stesse. Forse un giorno, potremmo effettivamente essere in grado di studiarli direttamente o (se non è troppo sperare per) scrutare direttamente al loro interno!
