Un'ipotesi di vecchia data ma non dimostrata sugli spettri dei raggi X dei buchi neri nello spazio è stata contraddetta da esperimenti pratici eseguiti presso la macchina Z dei Sandia National Laboratories.

Z, la sorgente di raggi X da laboratorio più energetica sulla Terra, possono duplicare i raggi X che circondano i buchi neri che altrimenti possono essere osservati solo da grande distanza e poi teorizzati.

"Certo, l'emissione direttamente dai buchi neri non può essere osservata, ", ha affermato il ricercatore Sandia e autore principale Guillaume Loisel, autore principale di un articolo sui risultati sperimentali, pubblicato ad agosto in Lettere di revisione fisica . "Vediamo l'emissione dalla materia circostante appena prima che venga consumata dal buco nero. Questa materia circostante è costretta a prendere la forma di un disco, chiamato disco di accrescimento."

I risultati suggeriscono che sono necessarie revisioni dei modelli precedentemente utilizzati per interpretare le emissioni dalla materia appena prima che venga consumata dai buchi neri, e anche il relativo tasso di crescita della massa all'interno dei buchi neri. Un buco nero è una regione dello spazio esterno da cui nessun materiale e nessuna radiazione (cioè, raggi X, luce visibile, e così via) possono sfuggire perché il campo gravitazionale del buco nero è così intenso.

"La nostra ricerca suggerisce che sarà necessario rielaborare molti articoli scientifici pubblicati negli ultimi 20 anni, Loisel ha detto. "I nostri risultati sfidano i modelli utilizzati per dedurre la velocità con cui i buchi neri ingeriscono la materia dalla loro stella compagna. Siamo ottimisti sul fatto che gli astrofisici implementeranno tutti i cambiamenti che saranno necessari".

La maggior parte dei ricercatori concorda che un ottimo modo per conoscere i buchi neri è utilizzare strumenti satellitari per raccogliere spettri di raggi X, ha detto il coautore di Sandia Jim Bailey. "Il problema è che i plasmi che emettono i raggi X sono esotici, e i modelli utilizzati per interpretare i loro spettri non sono mai stati testati in laboratorio fino ad ora, " Egli ha detto.

L'astrofisico della NASA Tim Kallman, uno dei coautori, disse, "L'esperimento Sandia è entusiasmante perché è quanto di più vicino a chiunque sia mai arrivato a creare un ambiente che sia una ricreazione di ciò che sta accadendo vicino a un buco nero".

La teoria lascia la realtà alle spalle

La divergenza tra teoria e realtà è iniziata 20 anni fa, quando i fisici dichiararono che certi stadi di ionizzazione del ferro (o ioni) erano presenti nel disco di accrescimento di un buco nero - la materia che circonda un buco nero - anche quando nessuna riga spettrale indicava la loro esistenza. La complicata spiegazione teorica era che sotto l'immensa gravità di un buco nero e radiazioni intense, gli elettroni di ferro altamente energizzati non sono tornati a stati energetici inferiori emettendo fotoni, la spiegazione quantistica comune del motivo per cui i materiali energizzati emettono luce. Anziché, gli elettroni furono liberati dai loro atomi e sgattaiolarono via come lupi solitari in una relativa oscurità. Il processo generale è noto come decadimento Auger, dal fisico francese che lo scoprì all'inizio del XX secolo. L'assenza di fotoni nel caso del buco nero è chiamata distruzione Auger, o più formalmente, il presupposto della distruzione della coclea risonante.

Però, Z ricercatori, duplicando le energie dei raggi X che circondano i buchi neri e applicandole a un film di silicio delle dimensioni di una monetina alle densità appropriate, ha mostrato che se non compaiono fotoni, allora l'elemento generatore semplicemente non c'è. Il silicio è un elemento abbondante nell'universo e subisce l'effetto Auger più frequentemente del ferro. Perciò, se la distruzione della coclea risonante avviene nel ferro, dovrebbe avvenire anche nel silicio.

"Se la distruzione della coclea risonante è un fattore, sarebbe dovuto accadere nel nostro esperimento perché avevamo le stesse condizioni, la stessa densità di colonna, la stessa temperatura, " ha detto Loisel. "I nostri risultati mostrano che se i fotoni non ci sono, neanche gli ioni devono essere lì." Quella scoperta apparentemente semplice, dopo cinque anni di esperimenti, mette in discussione i numerosi articoli di astrofisica basati sull'assunzione della distruzione dell'ago risonante.

L'esperimento Z ha imitato le condizioni trovate nei dischi di accrescimento che circondano i buchi neri, che hanno densità di molti ordini di grandezza inferiori all'atmosfera terrestre.

"Anche se i buchi neri sono oggetti estremamente compatti, i loro dischi di accrescimento - i grandi plasmi nello spazio che li circondano - sono relativamente diffusi, " disse Loisel. "Su Z, abbiamo espanso il silicio 50, 000 volte. È una densità molto bassa, cinque ordini di grandezza inferiori al silicio solido."

Questa è una rappresentazione artistica del buco nero chiamato Cygnus X-1, formata quando la grande stella blu accanto ad essa collassò nella più piccola, materia estremamente densa. (Immagine per gentile concessione della NASA) Fare clic sulla miniatura per un'immagine ad alta risoluzione.

Il racconto degli spettri

La ragione per cui è difficile trovare teorie accurate sulle dimensioni e le proprietà di un buco nero è la mancanza di osservazioni di prima mano. I buchi neri sono stati menzionati nella teoria della relatività generale di Albert Einstein un secolo fa, ma all'inizio erano considerati un concetto puramente matematico. Dopo, gli astronomi hanno osservato i movimenti alterati delle stelle sui cavi gravitazionali mentre giravano intorno al loro buco nero, o più recentemente, segnali di onde gravitazionali, predetto anche da Einstein, dalle collisioni di quei buchi neri. Ma la maggior parte di queste straordinarie entità sono relativamente piccole, circa 1/10 della distanza dalla Terra al Sole, e lontane molte migliaia di anni luce. Le loro dimensioni relativamente piccole a distanze immense rendono impossibile immaginarli con il migliore dei telescopi miliardari della NASA.

Ciò che è osservabile sono gli spettri rilasciati dagli elementi nel disco di accrescimento del buco nero, che poi alimenta materiale nel buco nero. "Ci sono molte informazioni negli spettri. Possono avere molte forme, " ha detto Kallman della NASA. "Gli spettri delle lampadine a incandescenza sono noiosi, hanno picchi nella parte gialla dei loro spettri. I buchi neri sono più interessanti, con urti e oscillazioni in diverse parti degli spettri. Se riesci a interpretare quei dossi e oscillazioni, sai quanto gas, quanto caldo, come ionizzato e in che misura, e quanti diversi elementi sono presenti nel disco di accrescimento."

Loisel ha detto:"Se potessimo andare al buco nero e prendere una paletta del disco di accrescimento e analizzarlo in laboratorio, questo sarebbe il modo più utile per sapere di cosa è fatto il disco di accrescimento. Ma poiché non possiamo farlo, cerchiamo di fornire dati testati per modelli astrofisici".

Mentre Loisel è pronta a dire R.I.P. all'ipotesi di distruzione della coclea risonante, è ancora consapevole delle implicazioni di un maggiore consumo di massa di buchi neri, in questo caso del ferro assente, è solo una delle tante possibilità.

"Un'altra implicazione potrebbe essere che sono presenti linee dagli ioni di ferro altamente carichi, ma le linee sono state identificate erroneamente finora. Questo perché i buchi neri spostano enormemente le linee spettrali a causa del fatto che i fotoni hanno difficoltà a sfuggire all'intenso campo gravitazionale, " Egli ha detto.

Ora ci sono modelli in costruzione altrove per oggetti alimentati dall'accrescimento che non utilizzano l'approssimazione della distruzione della trivella risonante. "Questi modelli sono necessariamente complicati, e quindi è ancora più importante verificare le loro ipotesi con esperimenti di laboratorio, " ha detto Loisel.