Un nuovo studio mostra che, trascinando lo spazio-tempo, i buchi neri supermassicci possono fare a pezzi il disco di accrescimento che li circonda, dando origine a un sottodisco interno e uno esterno. Crediti: Nick Kaaz/ Northwestern University
I dischi di accrescimento che circondano i buchi neri supermassicci sono oggetti fisicamente complicati ed estremamente difficili da modellare. In particolare, la teoria convenzionale fatica a spiegare il fatto che in alcuni casi brillano molto intensamente e poi improvvisamente si attenuano, a volte fino al punto di scomparire completamente.
In passato, si era ipotizzato che tali dischi fossero relativamente ordinati. In questi modelli, gas e polvere vorticano attorno al buco nero, sullo stesso piano del buco nero e nella sua stessa direzione di rotazione. Su una scala temporale compresa tra centinaia e centinaia di migliaia di anni, gas e polvere spiraleggiano gradualmente attorno al buco nero fino a caderci dentro.
Ora però, secondo una nuova simulazione condotta dalla Northwestern University, sembra che le cose stiano in modo molto diverso. La simulazione dei ricercatori – una delle simulazioni dei dischi di accrescimento a più alta risoluzione condotte fino a oggi – indica che le regioni che circondano il buco nero sono luoghi molto più disordinati e turbolenti di quanto si pensasse in precedenza.
«La teoria classica del disco di accrescimento prevede che il disco si evolva lentamente», spiega Nick Kaaz della Northwestern, che ha guidato lo studio. «Ma alcuni quasar – che risultano da buchi neri che divorano gas dai loro dischi di accrescimento – sembrano cambiare drasticamente nel corso di tempi che vanno da mesi ad anni. Questa variazione è drastica. Sembra che la parte interna del disco, da cui proviene la maggior parte della luce, venga distrutta e poi reintegrata. La teoria classica del disco di accrescimento non riesce a spiegare questa drastica variazione. Ma i fenomeni che vediamo nelle nostre simulazioni potrebbero potenzialmente spiegarla. Il rapido aumento della luminosità e oscuramento sono coerenti con la distruzione delle regioni interne del disco».
Utilizzando Summit, uno dei supercomputer più veloci del mondo, presso l’Oak Ridge National Laboratory, i ricercatori hanno effettuato una simulazione 3D della magnetoidrodinamica relativistica generale di un disco di accrescimento sottile e inclinato. Mentre simulazioni precedenti non erano abbastanza potenti da includere tutta la fisica necessaria per riprodurre un buco nero realistico, il modello ideato dalla Northwestern include la dinamica dei gas, i campi magnetici e la relatività generale per ottenere un quadro più completo.
«I buchi neri sono oggetti relativistici estremi che influenzano lo spaziotempo attorno a loro», spiega Kaaz. «Quindi, quando ruotano, trascinano lo spazio intorno a loro come una gigantesca giostra e costringono anche quest’ultimo a ruotare, un fenomeno chiamato frame-dragging. Questo crea un effetto molto forte vicino al buco nero che diventa sempre più debole man mano che ci si allontana».
Questa immagine simulata mostra come il disco di accrescimento di un buco nero supermassiccio possa dividersi in due sottodischi, che in questa immagine sono disallineati. Crediti: Nick Kaaz/ Northwestern University
Il frame-dragging fa oscillare l’intero disco, in modo simile alla precessione di un giroscopio. Ma il disco interno tende a oscillare molto più rapidamente delle parti esterne. Questa differenza provoca la deformazione del disco e la collisione del gas proveniente dalle sue diverse parti. Le collisioni creano shock luminosi che spingono violentemente la materia sempre più vicino al buco nero. Man mano che la deformazione diventa più grave, la regione più interna del disco di accrescimento continua a oscillare sempre più velocemente finché non si separa dal resto del disco. Quindi, i sottodischi iniziano a evolversi indipendentemente l’uno dall’altro. Invece di muoversi dolcemente insieme come in un disco piatto che circonda il buco nero, i sottodischi oscillano indipendentemente a velocità e angoli diversi, come le ruote di un giroscopio. Finché il disco interno si “strappa”, iniziando a precessare in modo indipendente.
Secondo la nuova simulazione, è nella regione di lacerazione – dove i sottodischi interno ed esterno si disconnettono – che inizia la frenesia alimentare. Mentre l’attrito cerca di tenere insieme il disco, la torsione dello spaziotempo provocata dal buco nero in rotazione vuole farlo a pezzi. Il disco esterno versa il materiale sopra il disco interno. Questa massa extra spinge il disco interno verso il buco nero, dove viene divorato. Quindi, la gravità stessa del buco nero attira il gas dalla regione esterna verso la regione interna, ora vuota, per riempirla.
Kaaz sostiene che sono proprio questi rapidi cicli mangia-riempi-mangia che riescono potenzialmente a spiegare il cambiamento dell’aspetto di certi quasar, che si accendono e spengono nel corso di mesi.
Le nuove simulazioni non solo sono in grado di spiegare il comportamento di questi quasar, ma potrebbero anche rispondere ad alcune domande sulla natura misteriosa dei buchi neri. «Il modo in cui il gas arriva a un buco nero per alimentarlo è la questione centrale nella fisica dei dischi di accrescimento», conclude Kaaz. «Se capiamo come ciò accade, sapremo quanto dura il disco, quanto è luminoso e come dovrebbe apparire la luce quando lo osserviamo con i telescopi».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “Nozzle shocks, disk tearing and streamers drive rapid accretion in 3D GRMHD simulations of warped thin disks” di Nicholas Kaaz, Matthew T. P. Liska, Jonatan Jacquemin-Ide, Zachary L. Andalman, Gibwa Musoke, Alexander Tchekhovskoy e Oliver Porth