Attraverso simulazioni di supercomputer uniche nel loro genere, ricercatori, tra cui un professore della Northwestern University, hanno acquisito nuove conoscenze su uno dei fenomeni più misteriosi dell'astronomia moderna:il comportamento dei getti relativistici che sparano dai buchi neri, estendendosi verso l'esterno attraverso milioni di anni luce.

Simulazioni avanzate create con uno dei supercomputer più potenti del mondo mostrano che i flussi dei jet cambiano gradualmente direzione nel cielo, o precesso, come risultato del trascinamento dello spazio-tempo nella rotazione del buco nero. Questo comportamento è in linea con le previsioni di Albert Einstein sulla gravità estrema vicino ai buchi neri rotanti, pubblicato nella sua famosa teoria della relatività generale.

"Capire come i buchi neri rotanti trascinino lo spazio-tempo intorno a loro e come questo processo influenzi ciò che vediamo attraverso i telescopi rimane cruciale, puzzle difficile da decifrare, " disse Aleksandr Cechovskoy, assistente professore di fisica e astronomia al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. "Fortunatamente, le scoperte nello sviluppo del codice e i progressi nell'architettura dei supercomputer ci stanno portando sempre più vicini alla ricerca delle risposte".

Lo studio, pubblicato in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society , è una collaborazione tra Tchekhovskoy, Matthew Liska e Casper Hesp. Liska e Hesp sono gli autori principali dello studio e gli studenti laureati presso l'Università di Amsterdam, Olanda.

I buchi neri in rapida rotazione non solo inghiottono materia, ma emettono anche energia sotto forma di getti relativistici. Simile a come l'acqua in una vasca da bagno forma un vortice mentre scende nello scarico, il gas e i campi magnetici che alimentano un buco nero supermassiccio turbinano per formare un disco rotante, un groviglio di linee di campo magnetico mescolate in un brodo di gas caldo. Mentre il buco nero consuma questa zuppa astrofisica, divora il brodo ma lascia penzolare dalla bocca gli spaghetti magnetici. Questo fa del buco nero una sorta di trampolino di lancio da cui energia, sotto forma di getti relativistici, germogli dalla ragnatela di spaghetti magnetici attorcigliati.

I getti emessi dai buchi neri sono più facili da studiare rispetto ai buchi neri stessi perché i getti sono così grandi. Questo studio consente agli astronomi di capire quanto velocemente sta cambiando la direzione del getto, che rivela informazioni sullo spin del buco nero, nonché l'orientamento e le dimensioni del disco rotante e altre proprietà difficili da misurare dell'accrescimento del buco nero.

Mentre quasi tutte le simulazioni precedenti consideravano dischi allineati, in realtà, Si pensa che i buchi neri supermassicci centrali della maggior parte delle galassie ospitino dischi inclinati, il che significa che il disco ruota attorno a un asse separato rispetto al buco nero stesso. Questo studio conferma che se inclinato, i dischi cambiano direzione rispetto al buco nero, premettendo come una trottola. Per la prima volta, le simulazioni hanno mostrato che tali dischi inclinati portano a getti in precessione che cambiano periodicamente la loro direzione nel cielo.

Un motivo importante per cui i getti di precessione non sono stati scoperti prima è che le simulazioni 3D della regione che circonda un buco nero in rapida rotazione richiedono un'enorme quantità di potenza di calcolo. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno costruito il primo codice di simulazione del buco nero accelerato da unità di elaborazione grafica (GPU). Una sovvenzione della National Science Foundation ha permesso loro di effettuare le simulazioni su Blue Waters, uno dei più grandi supercomputer del mondo, con sede presso l'Università dell'Illinois.

La confluenza del codice veloce, che utilizza in modo efficiente un'architettura GPU all'avanguardia, e il supercomputer Blue Waters ha permesso al team di eseguire simulazioni con la più alta risoluzione mai raggiunta, fino a un miliardo di celle computazionali.

"L'alta risoluzione ci ha permesso, per la prima volta, per garantire che i movimenti turbolenti del disco su piccola scala vengano catturati con precisione nei nostri modelli, " Disse Tchekhovskoy. "Con nostra sorpresa, questi moti si rivelarono così forti da far ingrassare il disco e fermare la precessione del disco. Ciò suggerisce che la precessione può avvenire a raffiche".

Poiché l'accrescimento sui buchi neri è un sistema altamente complesso simile a un uragano, ma situato così lontano non possiamo discernere molti dettagli, le simulazioni offrono un modo potente per dare un senso alle osservazioni del telescopio e comprendere il comportamento dei buchi neri.

I risultati della simulazione sono importanti per ulteriori studi che coinvolgono buchi neri rotanti, che sono attualmente in corso in tutto il mondo. Attraverso questi sforzi, gli astronomi stanno cercando di comprendere i fenomeni scoperti di recente come le prime rilevazioni di onde gravitazionali da collisioni di stelle di neutroni e i fuochi d'artificio elettromagnetici che accompagnano, nonché le stelle regolari inghiottite da buchi neri supermassicci.

I calcoli vengono applicati anche per interpretare le osservazioni dell'Event Horizon Telescope (EHT), che ha catturato le prime registrazioni dell'ombra del buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea.

Inoltre, la precessione dei getti potrebbe spiegare le fluttuazioni nell'intensità della luce proveniente dai buchi neri, chiamate oscillazioni quasi periodiche (QPO). Tali oscillazioni possono verificarsi in modo simile al modo in cui il raggio rotante di un faro aumenta di intensità mentre passa da un osservatore. I QPO sono stati scoperti per la prima volta vicino ai buchi neri (come raggi X) nel 1985 da Michiel van der Klis (Università di Amsterdam), chi è coautore del nuovo articolo.