Un nuovo modello sta avvicinando gli scienziati alla comprensione dei tipi di segnali luminosi prodotti quando due buchi neri supermassicci, che sono milioni o miliardi di volte la massa del Sole, spirale verso una collisione. Per la prima volta, una nuova simulazione al computer che incorpora completamente gli effetti fisici della teoria della relatività generale di Einstein mostra che il gas in tali sistemi brillerà prevalentemente alla luce ultravioletta e dei raggi X.

Quasi tutte le galassie delle dimensioni della nostra Via Lattea o più grandi contengono un buco nero mostruoso al centro. Le osservazioni mostrano che le fusioni di galassie si verificano frequentemente nell'universo, ma finora nessuno ha visto una fusione di questi giganteschi buchi neri.

"Sappiamo che le galassie con buchi neri supermassicci centrali si combinano continuamente nell'universo, eppure vediamo solo una piccola frazione di galassie con due di loro vicino ai loro centri, " ha detto Scott Noble, un astrofisico del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Le coppie che vediamo non emettono forti segnali di onde gravitazionali perché sono troppo lontane l'una dall'altra. Il nostro obiettivo è identificare, con la sola luce, coppie ancora più vicine da cui i segnali di onde gravitazionali possono essere rilevati nel futuro."

Martedì è stato pubblicato un documento che descrive l'analisi del team della nuova simulazione, 2 ottobre nel Giornale Astrofisico ed è ora disponibile online.

Gli scienziati hanno rilevato la fusione di buchi neri di massa stellare, che vanno da circa tre a diverse dozzine di masse solari, utilizzando il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) della National Science Foundation. Le onde gravitazionali sono increspature spazio-temporali che viaggiano alla velocità della luce. Vengono creati quando enormi oggetti orbitanti come buchi neri e stelle di neutroni si uniscono a spirale e si fondono.

Le fusioni supermassicce saranno molto più difficili da trovare rispetto ai loro cugini di massa stellare. Uno dei motivi per cui gli osservatori terrestri non possono rilevare le onde gravitazionali da questi eventi è perché la Terra stessa è troppo rumorosa, scuotimento da vibrazioni sismiche e variazioni gravitazionali da perturbazioni atmosferiche. I rilevatori devono essere nello spazio, come la Laser Interferometer Space Antenna (LISA) guidata dall'ESA (l'Agenzia spaziale europea) e il cui lancio è previsto negli anni '30. Osservatori che monitorano insiemi di rotazioni rapide, stelle superdense chiamate pulsar possono rilevare onde gravitazionali da fusioni di mostri. Come i fari, Le pulsar emettono fasci di luce regolarmente programmati che lampeggiano dentro e fuori dalla vista mentre ruotano. Le onde gravitazionali potrebbero causare lievi cambiamenti nei tempi di quei lampi, ma finora gli studi non hanno prodotto alcun rilevamento.

Ma i binari supermassicci prossimi alla collisione potrebbero avere una cosa che manca ai binari di massa stellare:un ambiente ricco di gas. Gli scienziati sospettano che l'esplosione di una supernova che crea un buco nero stellare spazzi via anche la maggior parte del gas circostante. Il buco nero consuma quel poco che rimane così rapidamente che non rimane molto da illuminare quando avviene la fusione.

binari supermassicci, d'altra parte, risultato di fusioni di galassie. Ogni buco nero di grandi dimensioni porta con sé un entourage di gas e nuvole di polvere, stelle e pianeti. Gli scienziati pensano che una collisione di galassie spinga gran parte di questo materiale verso i buchi neri centrali, che lo consumano su una scala temporale simile a quella necessaria per la fusione del binario. Mentre i buchi neri si avvicinano, le forze magnetiche e gravitazionali riscaldano il gas rimanente, gli astronomi che producono luce dovrebbero essere in grado di vedere.

"È molto importante procedere su due binari, " ha detto la coautrice Manuela Campanelli, direttore del Center for Computational Relativity and Gravitation presso il Rochester Institute of Technology di New York, che ha avviato questo progetto nove anni fa. "La modellazione di questi eventi richiede strumenti computazionali sofisticati che includano tutti gli effetti fisici prodotti da due buchi neri supermassicci che orbitano l'uno attorno all'altro a una frazione della velocità della luce. Sapere quali segnali luminosi aspettarsi da questi eventi aiuterà le osservazioni moderne a identificarli. le osservazioni si alimenteranno l'una nell'altra, aiutandoci a capire meglio cosa sta succedendo nel cuore della maggior parte delle galassie".

La nuova simulazione mostra tre orbite di una coppia di buchi neri supermassicci a sole 40 orbite dalla fusione. I modelli rivelano che la luce emessa in questa fase del processo può essere dominata dalla luce UV con alcuni raggi X ad alta energia, simile a quello che si vede in qualsiasi galassia con un buco nero supermassiccio ben nutrito.

Tre regioni di gas che emettono luce si illuminano quando i buchi neri si fondono, il tutto collegato da correnti di gas caldo:un grande anello che circonda l'intero sistema, chiamato disco circumbinario, e due più piccoli attorno a ciascun buco nero, chiamati minidischi. Tutti questi oggetti emettono prevalentemente luce UV. Quando il gas fluisce in un mini disco ad alta velocità, la luce UV del disco interagisce con la corona di ciascun buco nero, una regione di particelle subatomiche ad alta energia sopra e sotto il disco. Questa interazione produce raggi X. Quando il tasso di accrescimento è inferiore, La luce UV si attenua rispetto ai raggi X.

Sulla base della simulazione, i ricercatori si aspettano che i raggi X emessi da una quasi fusione saranno più luminosi e più variabili dei raggi X visti da singoli buchi neri supermassicci. Il ritmo dei cambiamenti è legato sia alla velocità orbitale del gas situato sul bordo interno del disco circumbinario, sia a quella dei buchi neri in fusione.

"Il modo in cui entrambi i buchi neri deviano la luce dà origine a complessi effetti di lente, come si vede nel film quando un buco nero passa davanti all'altro, " disse Stéphane d'Ascoli, uno studente di dottorato all'École Normale Supérieure di Parigi e autore principale del documento. "Alcune caratteristiche esotiche sono state una sorpresa, come le ombre a forma di sopracciglio che un buco nero crea occasionalmente vicino all'orizzonte dell'altro."

La simulazione è stata eseguita sul supercomputer Blue Waters del National Center for Supercomputing Applications presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. La modellazione di tre orbite del sistema ha richiesto 46 giorni su 9, 600 core di calcolo. Campanelli ha affermato che la collaborazione è stata recentemente assegnata a Blue Waters per continuare a sviluppare i propri modelli.

La simulazione originale stimava le temperature del gas. Il team prevede di perfezionare il proprio codice per modellare come cambiano i parametri del sistema, come la temperatura, distanza, massa totale e tasso di accrescimento, influenzerà la luce emessa. Sono interessati a vedere cosa succede al gas che viaggia tra i due buchi neri e a modellare intervalli di tempo più lunghi.

"Dobbiamo trovare segnali nella luce dei sistemi binari di buchi neri supermassicci abbastanza distintivi da consentire agli astronomi di trovare questi sistemi rari tra la folla di singoli buchi neri supermassicci luminosi, " ha detto il co-autore Julian Krolik, un astrofisico alla Johns Hopkins University di Baltimora. "Se possiamo farlo, potremmo essere in grado di scoprire la fusione di buchi neri supermassicci prima che vengano visti da un osservatorio di onde gravitazionali nello spazio".