Buchi neri supermassicci, che si nascondono nel cuore della maggior parte delle galassie, sono spesso descritti come "bestie" o "mostri". Ma nonostante questo, sono praticamente invisibili. Per mostrare che sono lì a tutti, gli astronomi in genere devono misurare la velocità delle nubi di gas che orbitano in quelle regioni.

Ma questi oggetti possono talvolta far sentire la loro presenza attraverso la creazione di potenti getti, che trasportano così tanta energia da poter eclissare tutta la luce emessa dalle stelle della galassia ospite. Sappiamo che questi "getti relativistici" sono due flussi di plasma (materia costituita da particelle caricate elettricamente pur non avendo carica complessiva), viaggiando in direzioni opposte a velocità molto vicine a quella della luce.

La fisica che governa queste fontane cosmiche, però, è stato a lungo un po' un mistero. Ora il nostro nuovo giornale, pubblicato in Astronomia della natura , ha fatto luce sulle cause del loro straordinario aspetto.

Ciò che rende eccezionali i getti relativistici è la loro impressionante stabilità:emergono da una regione grande quanto l'orizzonte degli eventi (il punto di non ritorno) del buco nero supermassiccio e si propagano abbastanza lontano da uscire dalla loro galassia ospite mantenendo la loro forma per un a lungo. Ciò corrisponde a una lunghezza che è un miliardo di volte il loro raggio iniziale - per metterlo in prospettiva, immagina una fontana che esce da un tubo flessibile largo 1 cm e rimane ininterrotta per 10, 000 km.

Una volta che i getti si propagano a grandi distanze dalla loro origine, anche se, perdono la loro coerenza e sviluppano strutture estese che spesso assomigliano a pennacchi o lobi. Ciò indica che i getti subiscono una sorta di instabilità, abbastanza forte da cambiare completamente il loro aspetto.

Una dicotomia jet

Il primo jet astrofisico fu scoperto nel 1918 dall'astronomo americano Heber Curtis, che ha notato "un curioso raggio dritto … apparentemente connesso al nucleo da una sottile linea di materia" nella galassia ellittica gigante M87.

Negli anni '70, due astronomi dell'Università di Cambridge, Bernie Fanaroff e Julia Riley, studiato un grande insieme di getti. Hanno scoperto che potrebbero essere divisi in due classi:quelli contenenti getti la cui luminosità diminuisce con la distanza dalla loro origine, e quelli che diventano più luminosi ai loro bordi. Globale, quest'ultimo tipo è circa 100 volte più luminoso del primo. Entrambi hanno una forma leggermente diversa alla fine:il primo è come un pennacchio svasato e il secondo assomiglia a un sottile flusso turbolento. Il motivo esatto per cui ci sono due diversi tipi di jet è ancora un'area di ricerca attiva.

Quando il materiale del getto viene accelerato dal buco nero, raggiunge velocità fino al 99,9% della velocità della luce. Quando un oggetto si muove così velocemente, il tempo si dilata – in altre parole, il flusso del tempo al getto, misurata da un osservatore esterno rallenta come previsto dalla relatività ristretta di Einstein. A causa di ciò, ci vuole più tempo perché le diverse parti del getto comunichino tra loro – come quando interagiscono o si influenzano a vicenda – mentre si allontanano dalla loro fonte. Questo, effettivamente, protegge il getto da interruzioni.

Però, questa perdita di comunicazione non dura per sempre. Quando il getto viene espulso dal buco nero, si espande lateralmente. Questa espansione fa diminuire la pressione all'interno del getto, mentre la pressione del gas che circonda il getto non diminuisce di molto. Infine, la pressione del gas esterno supera la pressione all'interno del getto e fa contrarre il flusso schiacciandolo. A questo punto, le parti del getto si avvicinano così tanto da poter comunicare di nuovo. Se nel frattempo alcune parti del getto sono diventate instabili, ora possono scambiare queste informazioni e le instabilità possono diffondersi fino a colpire l'intero raggio.

Il processo di espansione e contrazione dei getti ha un'altra importante conseguenza:il flusso non avviene più lungo linee rette ma su percorsi curvilinei. È probabile che i flussi curvi soffrano di "instabilità centrifuga", il che significa che iniziano a creare strutture simili a vortici chiamate vortici. Questo non era considerato critico per i getti astrofisici fino a poco tempo fa.

Infatti, le nostre dettagliate simulazioni al computer mostrano che i getti relativistici diventano instabili a causa dell'instabilità centrifuga, che inizialmente interessa solo la loro interfaccia con il gas galattico. Una volta che si sono contratti a causa della pressione esterna, però, questa instabilità si diffonde in tutto il getto. L'instabilità è così catastrofica che il getto non sopravvive oltre questo punto e dà luogo a un pennacchio turbolento.

Mettendo questo risultato in prospettiva, otteniamo una migliore comprensione dell'impressionante stabilità dei getti astrofisici. Può anche aiutare a spiegare le enigmatiche due classi di getti scoperte da Fanaroff e Riley:tutto dipende da quanto lontano dalla sua galassia un getto diventa instabile. Abbiamo fatto simulazioni al computer di come sarebbero stati questi getti in base alla nostra nuova comprensione della fisica di questi raggi cosmici, e somigliano molto alle due classi che vediamo nelle osservazioni astronomiche.

C'è molto di più da imparare sul gigantesco, bestie feroci che risiedono al centro delle galassie. Ma a poco a poco, stiamo svelando il loro mistero e mostrando che sono davvero perfettamente rispettosi della legge e prevedibili.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.