Gli scienziati della Princeton University e del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo metodo rigoroso per modellare il disco di accrescimento che alimenta il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia della Via Lattea. La carta, pubblicato online a dicembre sulla rivista Lettere di revisione fisica , fornisce una base tanto necessaria per la simulazione dei processi straordinari coinvolti.

I dischi di accrescimento sono nuvole di plasma che orbitano e ruotano gradualmente in corpi massicci come i buchi neri, intensi campi gravitazionali prodotti da stelle che collassano a una piccola frazione della loro dimensione originale. Queste stelle collassate sono delimitate da un "orizzonte degli eventi, " da cui nemmeno la luce può sfuggire. Mentre i dischi di accrescimento fluiscono verso gli orizzonti degli eventi, alimentano alcune delle sorgenti più luminose ed energetiche di radiazione elettromagnetica nell'universo.

Quattro milioni di volte la massa del sole

Il colossale buco nero al centro della Via Lattea, chiamato "Sagittario A*" perché si trova nella costellazione del Sagittario, ha una massa gravitazionale quattro milioni di volte maggiore del nostro sole. Eppure il plasma del disco di accrescimento che si sviluppa a spirale in questa massa è "radiativamente inefficiente, " significa che emette molte meno radiazioni di quanto ci si aspetterebbe.

"Quindi la domanda è perché questo disco è così quiescente?" chiede Matthew Kunz, autore principale dell'articolo, assistente professore di scienze astrofisiche all'Università di Princeton e fisico al PPPL. I coautori includono James Stone, Princeton professore di scienze astrofisiche, ed Eliot Quataert, direttore di astrofisica teorica presso l'Università della California, Berkeley.

Per sviluppare un metodo per trovare la risposta, i ricercatori hanno considerato la natura del disco di accrescimento Sagittarius A* supercaldo. Il suo plasma è così caldo e diluito che è senza collisioni, il che significa che le traiettorie di protoni ed elettroni all'interno del plasma si intersecano raramente.

Questa mancanza di collisionalità distingue il disco di accrescimento Sagittarius A* dai dischi più luminosi e più radiativi che orbitano attorno ad altri buchi neri. I dischi più luminosi sono collisionali e possono essere modellati da formule risalenti agli anni '90, che trattano il plasma come un fluido conduttore di elettricità. Ma "tali modelli sono inappropriati per l'accrescimento nel nostro buco nero supermassiccio, "Kunz ha detto, poiché non possono descrivere il processo che fa sì che il disco Sagittarius A* senza collisioni diventi instabile e si sposti a spirale verso il basso.

Tracciare particelle senza collisioni

Per modellare il processo per il disco Sagittarius A*, l'articolo sostituisce le formule che trattano il moto dei plasmi collisionali come un fluido macroscopico. Anziché, gli autori usano un metodo che i fisici chiamano "cinetico" per tracciare sistematicamente i percorsi delle singole particelle senza collisioni. Questo approccio complesso, condotto utilizzando il codice informatico Pegasus sviluppato a Princeton da Kunz, Pietra e Xuening Bai, ora docente presso l'Università di Harvard, ha prodotto una serie di equazioni in grado di modellare meglio il comportamento del disco che orbita attorno al buco nero supermassiccio.

Questo approccio cinetico potrebbe aiutare gli astrofisici a capire cosa fa sì che la regione del disco di accrescimento attorno al foro Sagittarius A* emani così poca luce. I risultati potrebbero anche migliorare la comprensione di altre questioni chiave, come il comportamento dei plasmi magnetizzati in ambienti estremi e come i campi magnetici possono essere amplificati.

L'obiettivo del nuovo metodo, disse Kunz, "sarà produrre modelli più predittivi dell'emissione dall'accrescimento del buco nero al centro galattico per il confronto con le osservazioni astrofisiche". Tali osservazioni provengono da strumenti come l'osservatorio a raggi X Chandra, un satellite in orbita attorno alla Terra lanciato dalla NASA nel 1999, e il prossimo Event Horizon Telescope, una serie di nove radiotelescopi terrestri situati in paesi di tutto il mondo.