Al centro della galassia, milioni di stelle ruotano in orbita attorno a un buco nero supermassiccio. Questo circuito può richiedere da poche ore per le stelle vicine all'orizzonte degli eventi del buco nero a migliaia di anni per le stelle vicine. La natura della danza, il modo in cui le stelle interagiscono collettivamente attraverso le loro forze gravitazionali, può variare da galassia a galassia.

Nella carta, "Transizione di fase ordine-disordine negli ammassi stellari di buchi neri, " pubblicato in Lettere di revisione fisica il 12 luglio 2019, scienziati dell'Institute for Advanced Study, Università americana di Beirut, e l'Università di Leiden hanno mosso i primi passi verso la comprensione dei modelli orbitali collettivi che emergono negli ammassi stellari che circondano un buco nero supermassiccio. Studiando questi ammassi stellari e come si evolvono, i ricercatori stanno raccogliendo nuove informazioni sul comportamento dei buchi neri supermassicci e sulla loro influenza sull'ambiente stellare circostante.

Sulla base di una serie di modelli numerici e simulazioni, il team ha dimostrato che gli ammassi stellari di buchi neri possono subire una transizione di fase da uno stato sferico a uno stato sbilenco quando vengono raffreddati al di sotto di una temperatura dinamica critica. Questa fase di transizione, in un certo senso, è simile alla transizione di fase che si verifica quando un liquido si trasforma in solido. Proprio come le molecole possono passare da uno stato liquido disordinato a uno stato in cui sono congelate sul posto, questi ammassi stellari sono in grado di raggiungere l'equilibrio in una struttura disordinata (sferica) o ordinata (sbilenco), a seconda delle loro proprietà e dell'ambiente.

"Questi sistemi mostrano un comportamento sorprendentemente ricco, con notevoli parallelismi con fenomeni di laboratorio ben studiati come il congelamento e il ferromagnetismo, " ha dichiarato Scott Tremaine, Richard Black Professore all'Institute for Advanced Study, uno dei tre autori dell'articolo. "Questi nuovi fenomeni possono cambiare drasticamente la nostra comprensione dell'ambiente dei buchi neri supermassicci e migliorare la nostra capacità di comprendere i tassi e le proprietà delle fusioni di buchi neri supermassicci, consumo di stelle da parte dei buchi neri, e altri fenomeni al centro delle galassie."

Un ammasso nucleare sbilenco che circonda un buco nero supermassiccio è visibile nelle immagini del telescopio spaziale Hubble della vicina galassia di Andromeda. D'altra parte, la nostra galassia, la Via Lattea, e M87, recentemente ripreso dall'Event Horizon Telescope, ospitano ammassi sferici. Per le galassie più lontane, gli ammassi stellari nucleari sono troppo piccoli per essere ripresi dai telescopi esistenti, ma le forme dei cluster possono influenzare fortemente gli eventi transitori che possiamo osservare, come i brillamenti di stelle interrotte dalle maree e i segnali di onde gravitazionali provenienti da stelle che si muovono a spirale nel buco nero.

"Il presente lavoro è, in più di un modo, il culmine del nostro programma di ricerca sulle proprietà termiche degli ammassi stellari di buchi neri. Pone le basi per studiare la loro risposta collettiva alle perturbazioni evolutive e ambientali, " ha dichiarato Jihad Touma, un altro degli autori dell'articolo. "Riteniamo che i sistemi modello che abbiamo identificato e analizzato siano abbastanza realistici e versatili da svolgere per la gravità il ruolo che il modello di Ising ha svolto e continua a svolgere per il magnetismo".

Saranno necessarie ulteriori indagini su come si formano ed evolvono gli ammassi di stelle nucleari per determinare la frequenza con cui si verificano in natura transizioni di fase di questo tipo. Però, la presenza di un ammasso sbilenco ad Andromeda, la galassia vicina più grande della nostra galassia, suggerisce che questo è un processo comune nell'universo.

Il gruppo di ricerca è composto da Jihad Touma dell'Università americana di Beirut e da un ex membro e visitatore IAS (2007-09; 2013-14; 2017) presso la School of Natural Sciences; Scott Tremaine dell'Institute for Advanced Study; e Mher Kazandjian dell'Università di Leiden.

Un link al documento che descrive in dettaglio i metodi del team è disponibile qui. Il team riconosce l'uso delle strutture informatiche IAS per eseguire calcoli essenziali per il proprio lavoro.