Un team internazionale ha costruito il più dettagliato, simulazione ad alta risoluzione di un buco nero fino ad oggi. La simulazione dimostra previsioni teoriche sulla natura dei dischi di accrescimento, la materia che orbita e alla fine cade in un buco nero, che non sono mai state viste prima.

La ricerca verrà pubblicata il 5 giugno su Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .

Tra i ritrovamenti, il team di astrofisici computazionali della Northwestern University, l'Università di Amsterdam e l'Università di Oxford hanno scoperto che la regione più interna di un disco di accrescimento si allinea con l'equatore del suo buco nero.

Questa scoperta risolve un antico mistero, originariamente presentato dal fisico vincitore del premio Nobel John Bardeen e dall'astrofisico Jacobus Petterson nel 1975. A quel tempo, Bardeen e Petterson hanno sostenuto che un buco nero rotante farebbe allineare la regione interna di un disco di accrescimento inclinato con il piano equatoriale del suo buco nero.

Dopo decenni di corsa globale per trovare il cosiddetto effetto Bardeen-Petterson, la simulazione del team ha rilevato che, considerando che la regione esterna di un disco di accrescimento rimane inclinata, la regione interna del disco si allinea con il buco nero. Un ordito liscio collega le regioni interna ed esterna. Il team ha risolto il mistero assottigliando il disco di accrescimento a un livello senza precedenti e includendo la turbolenza magnetizzata che provoca l'accrescimento del disco. Le simulazioni precedenti hanno apportato una sostanziale semplificazione semplicemente approssimando gli effetti della turbolenza.

"Questa scoperta rivoluzionaria dell'allineamento di Bardeen-Petterson chiude un problema che ha perseguitato la comunità degli astrofisici per più di quattro decenni, " ha detto Alexander Tchekhovskoy della Northwestern, che ha co-diretto la ricerca. "Questi dettagli intorno al buco nero possono sembrare piccoli, ma hanno un enorme impatto su ciò che accade nella galassia nel suo insieme. Controllano la velocità di rotazione dei buchi neri e, di conseguenza, quale effetto hanno i buchi neri sulle loro intere galassie".

Tchekhovskoy è un assistente professore di fisica e astronomia al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e membro del CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics), un centro di ricerca dotato della Northwestern focalizzato sull'avanzamento degli studi di astrofisica con un'enfasi sulle connessioni interdisciplinari. Matteo Lisca, ricercatore presso l'Istituto di astronomia Anton Pannenkoek dell'Università di Amsterdam, è il primo autore dell'articolo.

"Queste simulazioni non solo risolvono un problema vecchio di 40 anni, ma hanno dimostrato che, contrariamente al pensiero tipico, è possibile simulare i dischi di accrescimento più luminosi in piena relatività generale, " Ha detto Liska. "Questo apre la strada a una prossima generazione di simulazioni, che spero risolverà problemi ancora più importanti che circondano i dischi di accrescimento luminosi."

Allineamento sfuggente

Quasi tutto ciò che i ricercatori sanno sui buchi neri è stato appreso studiando i dischi di accrescimento. Senza l'anello di gas intensamente luminoso, polvere e altri detriti stellari che vorticano attorno ai buchi neri, gli astronomi non sarebbero in grado di individuare un buco nero per studiarlo. I dischi di accrescimento controllano anche la crescita e la velocità di rotazione di un buco nero, quindi comprendere la natura dei dischi di accrescimento è la chiave per capire come si evolvono e funzionano i buchi neri.

"L'allineamento influenza il modo in cui i dischi di accrescimento serrano i loro buchi neri, " Ha detto Tchekhovskoy. "Così influenza il modo in cui la rotazione di un buco nero si evolve nel tempo e lancia deflussi che influiscono sull'evoluzione delle loro galassie ospiti".

Da Bardeen e Petterson fino ai giorni nostri, le simulazioni sono state troppo semplificate per trovare l'allineamento dei piani. Due problemi principali hanno agito da barriera per gli astrofisici computazionali. Per uno, i dischi di accrescimento si avvicinano così tanto al buco nero che si muovono attraverso lo spazio-tempo deformato, che si precipita nel buco nero a una velocità immensa. A complicare ulteriormente le cose, la rotazione del buco nero costringe lo spazio-tempo a girargli intorno. La corretta considerazione di entrambi questi effetti cruciali richiede la relatività generale, La teoria di Albert Einstein che prevede come gli oggetti influenzano la geometria dello spazio-tempo che li circonda.

Secondo, gli astrofisici non hanno avuto la potenza di calcolo per spiegare la turbolenza magnetica, o l'agitazione all'interno del disco di accrescimento. Questa agitazione è ciò che fa sì che le particelle del disco si tengano insieme in una forma circolare e che alla fine il gas cada nel buco nero.

"Immagina di avere questo disco sottile. Poi, oltre a ciò, devi risolvere i moti turbolenti all'interno del disco, " Disse Tchekhovskoy. "Diventa un problema davvero difficile".

Senza essere in grado di risolvere queste caratteristiche, gli scienziati computazionali non sono stati in grado di simulare buchi neri realistici.

Decifrare il codice

Sviluppare un codice in grado di effettuare simulazioni di dischi di accrescimento titolati attorno ai buchi neri, Liska e Tchekhovskoy hanno utilizzato unità di elaborazione grafica (GPU) invece di unità di elaborazione centrale (CPU). Estremamente efficiente nel manipolare la computer grafica e l'elaborazione delle immagini, Le GPU accelerano la creazione di immagini su un display. Sono molto più efficienti delle CPU per l'elaborazione di algoritmi che elaborano grandi quantità di dati.

Tchekhovskoy paragona le GPU a 1, 000 cavalli e CPU a 1, Ferrari da 000 cavalli.

"Diciamo che devi trasferirti in un nuovo appartamento, "Ha spiegato. "Dovrai fare molti viaggi con questa potente Ferrari perché non ci staranno molte scatole. Ma se potessi mettere una scatola su ogni cavallo, potresti spostare tutto in una volta Questa è la GPU. Ha molti elementi, ognuno dei quali è più lento di quelli nella CPU, ma ce ne sono così tanti".

Liska ha anche aggiunto un metodo chiamato perfezionamento della mesh adattiva, che utilizza una mesh dinamica, o griglia, che cambia e si adatta al flusso di movimento durante la simulazione. Risparmia energia e potenza del computer concentrandosi solo su blocchi specifici nella griglia in cui si verifica il movimento.

Le GPU hanno notevolmente accelerato la simulazione, e la mesh adattiva ha aumentato la risoluzione. Questi miglioramenti hanno permesso al team di simulare il disco di accrescimento più sottile fino ad oggi, con un rapporto altezza-raggio di 0,03. Quando il disco è stato simulato così sottile, i ricercatori hanno potuto vedere l'allineamento verificarsi proprio accanto al buco nero.

"I dischi più sottili simulati prima avevano un rapporto altezza-raggio di 0,05, e si scopre che tutte le cose interessanti accadono a 0,03, " Disse Cechovskoy.

In una scoperta a sorpresa, anche con questi dischi di accrescimento incredibilmente sottili, il buco nero emetteva ancora potenti getti di particelle e radiazioni.

"Nessuno si aspettava che questi dischi producessero getti di spessore così leggero, "Tchekhovskoy ha detto. "La gente si aspettava che i campi magnetici che producono questi getti avrebbero semplicemente squarciato questi dischi davvero sottili. Ma ci sono. E questo in realtà ci aiuta a risolvere i misteri dell'osservazione".