Come la maggior parte delle galassie, la Via Lattea ospita al suo centro un buco nero supermassiccio. Chiamato Sagittario A*, l'oggetto ha catturato la curiosità degli astronomi per decenni. E ora c'è uno sforzo per immaginarlo direttamente.

Scattare una buona foto della bestia celeste richiederà una migliore comprensione di ciò che sta accadendo intorno ad essa, che si è rivelato difficile a causa delle scale enormemente diverse coinvolte. "Questa è la cosa più grande che abbiamo dovuto superare, " ha detto Sean Ressler, un ricercatore post-dottorato presso il Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) dell'UC Santa Barbara, che ha appena pubblicato un articolo sul Lettere per riviste astrofisiche , studiando le proprietà magnetiche del disco di accrescimento che circonda Sagittarius A*.

Nello studio, Resler, il collega KITP postdoc Chris White e i loro colleghi, Eliot Quataert di UC Berkeley e James Stone presso l'Institute for Advanced Study, cercato di determinare se il campo magnetico del buco nero, che è generato dalla materia in caduta, può accumularsi fino al punto in cui soffoca brevemente questo flusso, una condizione che gli scienziati chiamano arrestata magneticamente. Rispondere a questo richiederebbe la simulazione del sistema fino alle stelle orbitanti più vicine.

Il sistema in questione abbraccia sette ordini di grandezza. L'orizzonte degli eventi del buco nero, o busta di non ritorno, raggiunge circa 4-8 milioni di miglia dal suo centro. Nel frattempo, le stelle orbitano a circa 20 trilioni di miglia di distanza, o circa fino alla stella vicina più vicina al sole.

"Quindi devi seguire la materia che cade da questa scala molto grande fino a questa scala molto piccola, " ha detto Ressler. "E farlo in una singola simulazione è incredibilmente impegnativo, al punto che è impossibile." Gli eventi più piccoli procedono su scale temporali di secondi mentre i fenomeni più grandi si svolgono nel corso di migliaia di anni.

Questo documento collega simulazioni su piccola scala, che sono per lo più basati sulla teoria, con simulazioni su larga scala che possono essere vincolate da osservazioni reali. Per realizzare questo, Ressler ha diviso il compito tra modelli a tre scale sovrapposte.

La prima simulazione si è basata sui dati delle stelle circostanti Sagittarius A*. Fortunatamente, l'attività del buco nero è dominata da appena 30 o giù di lì stelle Wolf-Rayet, che scaricano enormi quantità di materiale. "La perdita di massa di una sola delle stelle è maggiore della quantità totale di cose che cadono nel buco nero nello stesso tempo, " Disse Ressler. Le stelle spendono solo circa 100, 000 anni in questa fase dinamica prima di passare a una fase di vita più stabile.

Utilizzando i dati osservativi, Ressler ha simulato le orbite di queste stelle nel corso di circa mille anni. Ha quindi utilizzato i risultati come punto di partenza per una simulazione di distanze a medio raggio, che evolvono su scale temporali più brevi. Ha ripetuto questo per una simulazione fino al limite dell'orizzonte degli eventi, dove l'attività si svolge in pochi secondi. Piuttosto che cucire insieme dure sovrapposizioni, questo approccio ha permesso a Ressler di sfumare i risultati delle tre simulazioni l'uno nell'altro.

"Questi sono davvero i primi modelli dell'accrescimento alle scale più piccole in [Sagittario] A* che tengono conto della realtà dell'approvvigionamento di materia proveniente dalle stelle orbitanti, ", ha detto il coautore White.

E la tecnica ha funzionato splendidamente. "È andato oltre le mie aspettative, " ha osservato Resler.

I risultati hanno indicato che Sagittarius A* può arrestarsi magneticamente. Questa è stata una sorpresa per la squadra, poiché la Via Lattea ha un centro galattico relativamente tranquillo. Generalmente, I buchi neri magneticamente arrestati hanno getti ad alta energia che sparano via particelle a velocità relativistiche. Ma finora gli scienziati hanno visto poche prove di jet intorno a Sagittarius A*.

"L'altro ingrediente che aiuta a creare getti è un buco nero che ruota rapidamente, " disse Bianco, "quindi questo potrebbe dirci qualcosa sulla rotazione del Sagittario A*."

Sfortunatamente, lo spin del buco nero è difficile da determinare. Ressler ha modellato il Sagittario A* come un oggetto stazionario. "Non sappiamo nulla dello spin, " ha detto. "C'è la possibilità che in realtà non giri".

Ressler e White hanno in programma di modellare un buco posteriore rotante, che è molto più impegnativo. Introduce immediatamente una serie di nuove variabili, compresa la velocità di rotazione, direzione e inclinazione rispetto al disco di accrescimento. Utilizzeranno i dati dell'interferometro GRAVITY dell'Osservatorio europeo meridionale per guidare queste decisioni.

Il team ha utilizzato le simulazioni per creare immagini che possono essere confrontate con osservazioni reali del buco nero. Gli scienziati della collaborazione Event Horizon Telescope, che ha fatto notizia nell'aprile 2019 con la prima immagine diretta di un buco nero, hanno già richiesto i dati della simulazione al fine di integrare il loro sforzo per fotografare Sagittarius A*.

L'Event Horizon Telescope prende effettivamente una media temporale delle sue osservazioni, che si traduce in un'immagine sfocata. Questo era un problema minore quando l'osservatorio aveva gli occhi puntati su Messier 87*, perché è circa 1, 000 volte più grande del Sagittario A*, quindi cambia intorno a 1, 000 volte più lentamente.

"È come scattare una foto a un bradipo rispetto a fare una foto a un colibrì, " Ha spiegato Ressler. I loro risultati attuali e futuri dovrebbero aiutare il consorzio a interpretare i dati sul nostro centro galattico.

I risultati di Ressler sono un grande passo avanti nella nostra comprensione dell'attività al centro della Via Lattea. "Questa è la prima volta che Sagittarius A* è stato modellato su una gamma così ampia di raggi in simulazioni 3D, e le prime simulazioni su scala dell'orizzonte degli eventi ad impiegare osservazioni dirette delle stelle Wolf-Rayet, " ha detto Resler.