Impressione artistica della binaria a raggi X del buco nero Maxi J1820+070 con un disco magneticamente arrestato formatosi attorno al buco nero. Crediti: YOU Bei
Un team scientifico internazionale ha rivelato per la prima volta i processi di trasporto del campo magnetico nel flusso di accrescimento di un buco nero e la formazione di un Mad, ossia un disco magneticamente arrestato – dall’inglese magnetically arrested disk – in prossimità del buco nero stesso.
I ricercatori hanno compiuto la scoperta mentre stavano conducevano studi osservativi a più lunghezze d’onda di un evento esplosivo riguardante la binaria a raggi X del buco nero Maxi J1820+070, utilizzando Insight-Hxmt, il primo satellite astronomico cinese a raggi X, oltre ad altri telescopi.
L’essenza della loro scoperta risiede nell’osservazione che l’emissione radio proveniente dal getto del buco nero e l’emissione ottica proveniente dalla regione esterna del flusso di accrescimento, risultano essere in ritardo rispetto ai raggi X duri emessi dal gas caldo nella regione interna del flusso di accrescimento di circa 8 e 17 giorni, rispettivamente. Ma facciamo un passo indietro e cerchiamo di capire cosa si presume stia succedendo in prossimità del buco nero in questione.
Il processo con cui un buco nero cattura il gas circostante è noto come “accrescimento” e il gas che cade nel buco nero viene definito flusso di accrescimento. I processi viscosi all’interno del flusso di accrescimento rilasciano energia potenziale gravitazionale, una parte della quale è convertita in radiazione a più lunghezze d’onda. Questa radiazione può essere osservata dai telescopi terrestri e spaziali, permettendoci di “vedere” il buco nero.
Tuttavia, attorno al buco nero ci sono campi magnetici “invisibili” e mentre il buco nero accumula gas, trascina verso di sé anche questi campi magnetici. Precedenti teorie suggeriscono che, poiché il gas in accrescimento trascina continuamente deboli campi magnetici esterni, verso la regione interna del flusso di accrescimento il campo magnetico si va rafforzando progressivamente. La forza magnetica nel flusso di accrescimento, rivolta verso l’esterno del buco nero, aumenta e contrasta l’attrazione gravitazionale, rivolta verso l’interno. Pertanto, nella regione interna del flusso di accrescimento, vicino al buco nero, quando il campo magnetico raggiunge una certa intensità, la materia accumulata rimane intrappolata dal campo magnetico e non può cadere liberamente nel buco nero. È proprio questo il fenomeno noto come Mad.
La teoria Mad è stata proposta molti anni fa e ha spiegato con successo alcuni fenomeni osservativi legati all’accrescimento dei buchi neri. Tuttavia, fino a oggi non era disponibile alcuna prova osservativa diretta dell’esistenza di un Mad, e la formazione del Mad e i meccanismi di trasporto magnetico erano un mistero.
Oltre ai buchi neri supermassicci al centro di quasi tutte le galassie, nell’universo ci sono anche molti altri buchi neri di massa stellare. Gli astronomi hanno rilevato buchi neri di massa stellare in molti sistemi stellari binari della Via Lattea. Questi buchi neri hanno generalmente una massa circa dieci volte quella del Sole. Per la maggior parte del tempo, sono in uno stato quiescente ed emettono radiazioni elettromagnetiche estremamente deboli. Tuttavia, occasionalmente entrano in un periodo “esplosivo” che può durare diversi mesi o addirittura anni, producendo raggi X. È per questo che questi sistemi stellari binari vengono spesso definiti binarie a raggi X di buchi neri.
Curva dell’emissione X (in alto), radio (al centro) e nel visibile (in basso), in funzione del tempo, del sistema binario X del buco nero Maxi J1820+070, in cui è evidente come il picco alle varie frequenze si presente in momenti successivi. Crediti: SHAO
In questo studio, i ricercatori hanno eseguito un’analisi dei dati a più lunghezze d’onda dell’esplosione della binaria a raggi X del buco nero Maxi J1820+070. Hanno osservato che l’emissione di raggi X duri mostrava un picco seguito da un ulteriore picco nell’emissione radio, 8 giorni dopo. Un ritardo così lungo tra l’emissione radio del getto e i raggi X duri del flusso caldo di accrescimento non ha precedenti.
Queste osservazioni indicano che il debole campo magnetico nella regione esterna del disco di accrescimento viene trasportato nella regione interna dal gas caldo, e l’estensione radiale del flusso di accrescimento caldo si espande rapidamente al diminuire della velocità di accrescimento. Maggiore è l’estensione radiale del flusso di accrescimento caldo, maggiore è l’aumento del campo magnetico. Ciò porta a un rapido rafforzamento del campo magnetico vicino al buco nero, con conseguente formazione di un Mad circa 8 giorni dopo il picco dell’emissione di raggi X duri.
«Il nostro studio rivela per la prima volta il processo di trasporto del campo magnetico nel flusso di accrescimento e il processo di formazione del Mad in prossimità del buco nero. Ciò rappresenta la prova osservativa diretta dell’esistenza di un disco magneticamente arrestato», afferma You Bei, primo autore dello studio.
Inoltre, il gruppo di ricerca ha osservato un ritardo senza precedenti (circa 17 giorni) tra l’emissione ottica dalla regione esterna del flusso di accrescimento e i raggi X duri provenienti dal flusso caldo di accrescimento. Attraverso simulazioni numeriche dell’esplosione della binaria a raggi X del buco nero, si è scoperto che quando l’esplosione si avvicina alla fine, l’emissione di raggi X duri fa sì che più materiale in accrescimento dalla regione più esterna cada verso il buco nero a causa di instabilità. Ciò porta a un brillamento ottico nella regione esterna del flusso di accrescimento, con il picco che si verifica circa 17 giorni dopo il picco dei raggi X duri provenienti dal flusso caldo di accrescimento.
«Grazie all’universalità della fisica dell’accrescimento dei buchi neri, per cui i processi di accrescimento per buchi neri di diverse scale di massa seguono le stesse leggi fisiche, questa ricerca farà avanzare la comprensione delle questioni scientifiche legate alla formazione di campi magnetici su larga scala, all’energia dei jet e ai meccanismi di accelerazione per l’accrescimento di buchi neri di diverse scale di massa», conclude Cao Xinwu, co-autore dello studio.
Per saperne di più:
- Leggi su Science l’articolo “Observations of a black hole x-ray binary indicate formation of a magnetically arrested disk” di Bei You, Xinwu Cao, Zhen Yan, Jean-Marie Hameury, Bozena Czerny, Yue Wu, Tianyu Xia, Marek Sikora, Shuang-nan Zhang, Pu Du e Piotr T. Zycki