Gli elettroni radianti vengono accelerati dalla riconnessione magnetica nei getti del buco nero, che è probabilmente guidata da “eruzioni magnetiche” nel disco di accrescimento. Lo studio è stato pubblicato su Science Advances .

I buchi neri sono corpi celesti straordinariamente peculiari nell'universo, possiedono una forza gravitazionale immensamente potente che nemmeno la luce può sfuggire all'interno del loro raggio, noto come orizzonte degli eventi.

Tuttavia, più di un secolo fa, le osservazioni hanno rivelato che appena oltre l’orizzonte degli eventi del buco nero, a una distanza molto ravvicinata, il buco nero potrebbe emettere potenti deflussi di materia ed energia a velocità vicine a quella della luce, noti come getti. Le immagini catturate dai telescopi mostrano questi getti sparati direttamente verso l'esterno, proprio come un raggio laser, che si estende a grandi distanze, con lunghezze di alcuni getti che superano addirittura la scala delle galassie.

Il modo in cui si formano questi enigmatici getti è stato una questione studiata per oltre un secolo da molti studiosi, tra cui il premio Nobel Sir Roger Penrose. Attualmente esistono principalmente due modelli in questo campo di ricerca. Il primo prevede l’estrazione dell’energia rotazionale del buco nero da campi magnetici su larga scala, noto come modello di “estrazione dell’energia rotazionale del buco nero”. Anche l'altro si basa su campi magnetici su larga scala, ma a differenza del primo, comporta l'estrazione dell'energia rotazionale del disco di accrescimento, chiamato modello di "estrazione dell'energia rotazionale del disco di accrescimento".

Gli astronomi stanno cercando di individuare solo la fonte di energia dei getti. I getti prodotti da questi due modelli possono corrispondere ai risultati osservativi riguardanti la morfologia, l’ampiezza, il campo di velocità e la polarizzazione dei getti? Quale dei due modelli per il meccanismo di formazione di questi getti è corretto? Il team guidato dal dottor Yuan Feng ha risposto a queste due domande.

Il team ha utilizzato come caso i getti del buco nero supermassiccio al centro della galassia M87. Questo buco nero supermassiccio è conosciuto come la “stella” della prima immagine in assoluto di un buco nero catturata dall’Event Horizon Telescope (EHT). Il team ha utilizzato metodi di simulazione numerica su larga scala per risolvere le equazioni della magnetoidrodinamica relativistica generale e ha ottenuto il flusso di accrescimento attorno al buco nero e i getti prodotti dai due modelli menzionati sopra.

Per calcolare la radiazione emessa dai getti e confrontarla con le osservazioni, sono cruciali lo spettro energetico e la distribuzione spaziale degli elettroni radianti. Il team ha ipotizzato che l'accelerazione degli elettroni avvenisse attraverso il meccanismo di "riconnessione magnetica" nei getti. Ha considerato i meccanismi fisici della riconnessione magnetica che accelera gli elettroni e ha combinato i risultati degli studi sull'accelerazione delle particelle utilizzando la teoria cinetica per risolvere un'equazione di distribuzione dell'energia degli elettroni in stato stazionario. Ha ottenuto gli spettri energetici e le densità numeriche degli elettroni in diverse regioni dei getti.

Combinando questi con i risultati delle simulazioni numeriche di accrescimento, tra cui l'intensità del campo magnetico, la temperatura e la velocità del gas plasma, il team ha ottenuto vari risultati osservativi previsti calcolando il trasferimento della radiazione nel quadro della relatività generale, che potrebbe essere confrontato con osservazioni reali.

I risultati hanno mostrato che la morfologia dei getti prevista dal modello di "estrazione dell'energia rotazionale del buco nero" corrispondeva molto bene alla morfologia osservata dei getti, e ad altre previsioni di questo modello come "schiarimento degli arti" dei getti, larghezza del getto , lunghezza e campo di velocità corrispondevano molto bene alle osservazioni. Al contrario, le previsioni del modello di "estrazione dell'energia rotazionale del disco di accrescimento" non erano coerenti con le osservazioni.

Inoltre, il team ha analizzato il meccanismo fisico della riconnessione magnetica e ha scoperto che il meccanismo è dovuto a “eruzioni magnetiche” generate dai campi magnetici nel disco di accrescimento del buco nero M87. Queste eruzioni possono causare forti disturbi al campo magnetico, che può propagarsi su lunghe distanze, portando alla riconnessione magnetica nei getti.

Questo lavoro colma il divario tra il modello dinamico della formazione dei getti e le varie proprietà osservative dei getti, fornendo la prima prova che questo noto modello dinamico affronta le questioni energetiche dei getti e spiega altri vari risultati osservativi.