In che modo le particelle sfuggono ai buchi neri? Saranno i supercomputer a darci la risposta

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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, per quanto ne sappiamo, funziona solo se sei una particella subatomica.

Mentre i buchi neri divorano la materia nei loro dintorni, emettono anche potenti getti di plasma caldo contenenti elettroni e positroni, l’ equivalente dell’antimateria per gli elettroni. Poco prima che quelle particelle raggiungano l’orizzonte degli eventi, o il punto di non ritorno, iniziano ad accelerare. Muovendosi vicino alla velocità della luce, queste particelle rimbalzano sull’orizzonte degli eventi e vengono lanciate verso l’esterno lungo l’asse di rotazione del buco nero.

Conosciuti come getti relativistici, questi enormi e potenti flussi di particelle emettono una luce che possiamo vedere con i telescopi. Sebbene gli astronomi abbiano osservato questi getti per decenni, nessuno sa esattamente come le particelle in fuga possano ottenere tutta quell’energia. In un nuovo studio, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in California hanno gettato nuova luce sul processo.

Come fa l’energia estratta dalla rotazione di un buco nero a produrre getti?“, ha spiegato Kyle Parfrey, che ha guidato le simulazioni del buco nero durante il suo periodo come postdoctoral fellow presso il Berkeley Lab in una dichiarazione. “Questa è una domanda che gli astronomi si pongono da molto tempo.”

Per cercare di rispondere a questa domanda, Parfrey e il suo team hanno escogitato una serie di simulazioni con un supercomputer che “combinano 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 spingerli lontano dalle loro bocche spalancate“, hanno detto i funzionari del LBNL nella dichiarazione. In altre parole, hanno studiato come l’estrema forza gravitazionale di un buco nero possa dare alle particelle tanta energia che esse iniziano a irradiarsi.

Le simulazioni, per la prima volta, uniscono una teoria che spiega come le correnti elettriche attorno a un buco nero distorcono i campi magnetici formando getti, 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 sembrare ad un osservatore distante portare energia negativa e abbassare l’energia rotazionale complessiva del buco nero“, hanno detto i funzionari di LBNL. “È come mangiare uno spuntino che ti fa perdere calorie invece di guadagnarle: il buco nero in realtà perde massa a causa del bombardamento di queste particelle di “energia negativa”.”

Parfrey ha unito le due teorie nel tentativo di fondere la fisica del plasma ordinaria con la teoria della relatività generale di Einstein. Le simulazioni dovevano affrontare non solo l’accelerazione delle particelle e la luce proveniente dai jet relativistici, ma, per prima cosa, era anche necessario tenere conto del modo in cui i positroni e gli elettroni vengono creati: attraverso le collisioni di fotoni ad alta energia, come i raggi gamma. Questo processo, chiamato produzione di coppie, può trasformare la luce in materia.

I risultati delle nuove simulazioni non sono radicalmente diversi da quelli delle vecchie, il che è, in un certo senso, rassicurante“, ha scritto in un articolo correlato “Viewpoints” nella rivista Physical Review Letters Robert Penna, ricercatore presso il Centro di Astrofisica Teorica della Columbia University che non è stato coinvolto nello studio.

Tuttavia, Parfrey e colleghi scoprono un comportamento interessante e nuovo“, 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. “Sara 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 osservazionali 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 la portata delle simulazioni per includere il flusso di materia in agguato attorno all’orizzonte degli eventi del buco nero, noto come il suo flusso di accrescimento“, hanno detto i funzionari di LBNL.

Speriamo di fornire un quadro più coerente dell’intero problema“, ha concluso Parfrey.

Lo studio è stato pubblicato mercoledì (23 gennaio) in Physical Review Letters .