In questo frame dalla nuova visualizzazione, un buco nero supermassiccio del peso di 200 milioni di masse solari si trova in primo piano. La sua gravità distorce la luce dal disco di accrescimento di un buco nero compagno più piccolo quasi direttamente dietro di esso, creando questa visione surreale. Colori diversi per i dischi di accrescimento rendono più facile tenere traccia dei contributi di ciascuno. Credito:Goddard Space Flight Center della NASA/Jeremy Schnittman e Brian P. Powell
Una coppia di buchi neri orbitanti milioni di volte la massa del Sole compie un ipnotico passo a due in una nuova visualizzazione della NASA. Il film traccia come i buchi neri distorcono e reindirizzano la luce emanata dal vortice di gas caldo, chiamato disco di accrescimento, che circonda ciascuno di essi.
Visto da vicino al piano orbitale, ogni disco di accrescimento assume un caratteristico aspetto a doppia gobba. Ma mentre uno passa davanti all'altro, la gravità del buco nero in primo piano trasforma il suo partner in una sequenza di archi in rapida evoluzione. Queste distorsioni si manifestano mentre la luce di entrambi i dischi naviga nel tessuto intricato dello spazio e del tempo vicino ai buchi neri.
"Stiamo vedendo due buchi neri supermassicci, uno più grande con 200 milioni di masse solari e un compagno più piccolo che pesa la metà, " ha detto Jeremy Schnittman, un astrofisico del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, che ha creato la visualizzazione. "Questi sono i tipi di sistemi binari di buchi neri in cui pensiamo che entrambi i membri potrebbero mantenere dischi di accrescimento della durata di milioni di anni".
I dischi di accrescimento hanno colori diversi, rosso e blu, per facilitare il tracciamento delle sorgenti luminose, ma la scelta rispecchia anche la realtà. Il gas più caldo emette luce più vicino all'estremità blu dello spettro, e il materiale in orbita attorno a buchi neri più piccoli sperimenta effetti gravitazionali più forti che producono temperature più elevate. Per queste masse, entrambi i dischi di accrescimento emetterebbero effettivamente la maggior parte della loro luce nell'UV, con il disco blu che raggiunge una temperatura leggermente superiore.
Visualizzazioni come questa aiutano gli scienziati a immaginare le affascinanti conseguenze dello specchio del luna park della gravità estrema. Il nuovo video raddoppia su un precedente prodotto da Schnittman che mostra un buco nero solitario da varie angolazioni.
Visto quasi di taglio, i dischi di accrescimento sembrano notevolmente più luminosi su un lato. La distorsione gravitazionale altera i percorsi della luce proveniente da diverse parti dei dischi, producendo l'immagine deformata. Il rapido movimento del gas vicino al buco nero modifica la luminosità del disco attraverso un fenomeno chiamato potenziamento Doppler, un effetto della teoria della relatività di Einstein che illumina il lato che ruota verso lo spettatore e attenua il lato che ruota via.
Una vista frontale del sistema evidenzia l'immagine distorta del buco nero più piccolo (riquadro) del suo compagno più grande. Per raggiungere la fotocamera, il buco nero più piccolo deve deviare la luce dal suo compagno rosso di 90 gradi. Il disco di accrescimento di questa immagine secondaria appare come una linea, il che significa che stiamo vedendo una vista di taglio del compagno rosso, mentre allo stesso tempo lo vediamo dall'alto. Un'immagine secondaria del disco blu si forma anche appena fuori dall'anello luminoso di luce più vicino al buco nero più grande, pure. Credito:Goddard Space Flight Center della NASA/Jeremy Schnittman e Brian P. Powell
La visualizzazione mostra anche un fenomeno più sottile chiamato aberrazione relativistica. I buchi neri appaiono più piccoli quando si avvicinano allo spettatore e più grandi quando si allontanano.
Questi effetti scompaiono quando si guarda il sistema dall'alto, ma emergono nuove caratteristiche. Entrambi i buchi neri producono piccole immagini dei loro partner che girano intorno a loro in ogni orbita. Guardando più da vicino, è chiaro che queste immagini sono in realtà viste marginali. Per produrli, la luce dei buchi neri deve essere reindirizzata di 90 gradi, il che significa che stiamo osservando i buchi neri da due diverse prospettive, di fronte e di lato, allo stesso tempo.
"Un aspetto sorprendente di questa nuova visualizzazione è la natura auto-similare delle immagini prodotte dalla lente gravitazionale, Schnittman ha spiegato. "Lo zoom in ogni buco nero rivela molteplici, immagini sempre più distorte del suo partner."
Schnittman ha creato la visualizzazione calcolando il percorso seguito dai raggi di luce dai dischi di accrescimento mentre si facevano strada attraverso lo spazio-tempo deformato attorno ai buchi neri. Su un moderno computer desktop, i calcoli necessari per realizzare i fotogrammi del film avrebbero richiesto circa un decennio. Così Schnittman ha collaborato con il data scientist di Goddard Brian P. Powell per utilizzare il supercomputer Discover presso il NASA Center for Climate Simulation. Utilizzando solo il 2% dei 129 di Discover, 000 processori, questi calcoli hanno richiesto circa un giorno.
Gli astronomi si aspettano che, in un futuro non troppo lontano, saranno in grado di rilevare le onde gravitazionali - increspature nello spazio-tempo - prodotte quando due buchi neri supermassicci in un sistema molto simile a quello raffigurato da Schnittman si uniscono e si fondono.
