Due buchi neri supermassicci al centro di un grande disco di gas sono in rotta di collisione in una sequenza temporale simulata dagli scienziati del RIT. Un flusso alternato di gas riempie ed esaurisce i mini dischi che alimentano i buchi neri, sopra indicato. Segnali luminosi caratteristici emessi nel gas potrebbero segnare la posizione delle masse invisibili. (Nota:il punto al centro dell'immagine non fa parte della simulazione.) Credito:RIT Center for Computational Relativity and Gravitation
Una nuova simulazione di buchi neri supermassicci, i colossi al centro delle galassie, utilizza uno scenario realistico per prevedere i segnali luminosi emessi nel gas circostante prima che le masse si scontrino. hanno affermato i ricercatori del Rochester Institute of Technology.
Lo studio condotto dal RIT rappresenta il primo passo verso la previsione dell'imminente fusione di buchi neri supermassicci utilizzando i due canali di informazione ora a disposizione degli scienziati, gli spettri delle onde elettromagnetiche e gravitazionali, noti come astrofisica multimessaggero. I risultati appaiono nel documento "Quasi-periodic Behavior of Mini-Disks in Binary Black Holes Approaching Merger, " pubblicato in Lettere per riviste astrofisiche .
"Abbiamo eseguito la prima simulazione in cui un disco di accrescimento attorno a un buco nero binario alimenta singoli dischi di accrescimento, o mini-dischi, attorno a ciascun buco nero in relatività generale e magnetoidrodinamica, " ha detto Dennis Bowen, autore principale e ricercatore post-dottorato presso il Centro per la relatività computazionale e la gravitazione del RIT.
A differenza dei loro cugini meno massicci, rilevata per la prima volta nel 2016, i buchi neri supermassicci sono alimentati da dischi di gas che li circondano come ciambelle. La forte attrazione gravitazionale dei buchi neri che si ispirano l'uno all'altro riscalda e interrompe il flusso di gas dal disco al buco nero ed emette segnali periodici nelle porzioni visibili ai raggi X dello spettro elettromagnetico.
"Non abbiamo ancora visto due buchi neri supermassicci avvicinarsi così tanto, " ha detto Bowen. " Fornisce i primi indizi di come appariranno queste fusioni in un telescopio. Il riempimento e la ricarica dei mini-dischi influenzano le firme luminose."
La simulazione modella buchi neri supermassicci in una coppia binaria, ciascuno circondato dai propri dischi di gas. Un disco di gas molto più grande circonda i buchi neri e alimenta in modo sproporzionato un mini-disco rispetto a un altro, che porta al ciclo di riempimento e riempimento descritto nella carta.
"L'evoluzione è abbastanza lunga per studiare come sarebbe il vero risultato della scienza, " disse Manuela Campanelli, direttore del Center for Computational Relativity and Gravitation e coautore dell'articolo.
I buchi neri supermassicci binari emettono onde gravitazionali a frequenze inferiori rispetto ai buchi neri di massa stellare. L'Osservatorio delle onde gravitazionali con interferometro laser a terra, nel 2016, ha rilevato le prime onde gravitazionali da collisioni di buchi neri di massa stellare con uno strumento sintonizzato su frequenze più alte. La sensibilità di LIGO non è in grado di osservare i segnali delle onde gravitazionali prodotti dalla coalescenza dei buchi neri supermassicci.
Le linee del campo magnetico emanano da una coppia di buchi neri supermassicci che si avvicinano alla fusione all'interno di un grande disco di gas in una simulazione degli scienziati del RIT. Segnali luminosi periodici nel disco di gas potrebbero un giorno aiutare gli scienziati a localizzare buchi neri binari supermassicci. Credito:Centro RIT per la relatività computazionale e la gravitazione
Il lancio dell'antenna spaziale interferometrica laser spaziale, o LISA, prevista per il 2030, rileverà le onde gravitazionali dalla collisione di buchi neri supermassicci nel cosmo. Quando sarà operativo negli anni '20, il Large Synoptic Survey Telescope terrestre, o LSST, in costruzione a Cerro Pachón, Chile, produrrà il più ampio, indagine più approfondita delle emissioni luminose nell'universo. Il modello di segnali previsto nello studio RIT potrebbe guidare gli scienziati a orbitare attorno a coppie di buchi neri supermassicci.
"Nell'era dell'astrofisica multimessaggero, simulazioni come questa sono necessarie per fare previsioni dirette dei segnali elettromagnetici che accompagneranno le onde gravitazionali, " ha detto Bowen. "Questo è il primo passo verso l'obiettivo finale di simulazioni in grado di fare previsioni dirette del segnale elettromagnetico dei buchi neri binari che si avvicinano alla fusione".
Bowen e i suoi collaboratori hanno combinato simulazioni dai cluster di computer Black Hole Lab del RIT e dal supercomputer Blue Waters presso il National Center for Supercomputing Applications presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, uno dei più grandi supercomputer degli Stati Uniti.
Astrofisici del RIT, Al progetto hanno collaborato la Johns Hopkins University e il Goddard Space Flight Center della NASA. La pubblicazione si basa sul dottorato di ricerca di Bowen. tesi al RIT e completa la ricerca iniziata da un co-autore, Scott Nobile, un ex ricercatore post-dottorato RIT, ora alla NASA Goddard. La loro ricerca fa parte di un progetto collaborativo finanziato dalla National Science Foundation guidato da Campanelli. I coautori includono Vassilios Mewes, ricercatore post-dottorato RIT; Miguel Zilhao, ex ricercatore post-dottorato RIT, ora all'Universidade de Lisboa, in Portogallo; e Julian Krolik, professore di fisica e astronomia alla Johns Hopkins University.
In un prossimo documento, gli autori esploreranno ulteriormente la correlazione tra il flusso di gas in entrata e in uscita dai dischi di accrescimento e le fluttuazioni delle emissioni luminose. Presenteranno le previsioni delle firme luminose che gli scienziati possono aspettarsi di vedere con telescopi avanzati quando cercano buchi neri supermassicci che si avvicinano alla fusione.
