I buchi neri supermassicci sono tra gli oggetti più enigmatici dell’universo. In genere hanno una massa pari a milioni o addirittura miliardi di volte quella del Sole e si trovano al centro della maggior parte delle galassie più grandi.
Nel cuore della Via Lattea si trova Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio della nostra galassia, con una massa pari a circa quattro milioni di masse solari. Tuttavia, questi buchi neri non emettono luce, quindi gli astronomi possono rilevarli solo indirettamente, attraverso i loro effetti sulle stelle e sul gas circostanti.
In un nuovo studio pubblicato su The Astrophysical Journal Letters , Eric Coughlin, professore associato di fisica alla Syracuse University, e i suoi colleghi chiariscono cosa accade quando una stella si avvicina troppo a uno di questi buchi neri e viene fatta a pezzi.
Una stella “inghiottita” da un buco nero supermassiccio non scompare semplicemente in un istante. Al contrario, la gravità del buco nero la dilania in un lungo e sottile flusso di detriti. Col tempo, il flusso di detriti si avvolge attorno al buco nero, un effetto che deriva in ultima analisi dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein; la gravità secondo Newton non produce questo effetto. Quando parti di questo flusso circolare si scontrano tra loro, rilasciano un’esplosione di energia e successivamente “accrescono”, ovvero spiraleggiano lentamente verso il buco nero. Entrambi questi effetti, la collisione iniziale e il successivo accrescimento, producono una quantità di radiazioni tale da superare brevemente la luminosità dell’intera galassia in cui si verificano (ovvero, circa 1 trilione di soli).
Gli astronomi si riferiscono a questi eventi come eventi di distruzione mareale, o TDE. I TDE offrono uno dei pochi modi per studiare i buchi neri supermassicci come Sagittarius A* in altre galassie.
“Possiamo studiare gli eventi di perturbazione mareale per saperne di più sui buchi neri nascosti alla vista”, afferma Coughlin.
Per anni, gli eventi di distruzione mareale (TDE) hanno affascinato i ricercatori perché ognuno di questi enormi brillamenti è come un’impronta digitale. Misurando come un brillamento sale, raggiunge il picco e si affievolisce, gli scienziati possono dedurre le proprietà del buco nero che lo ha prodotto, tra cui la sua massa e forse il suo spin. Ma i dettagli di come si formano questi brillamenti sono rimasti difficili da definire con precisione, in parte perché il processo è difficile da simulare accuratamente.
È qui che le nuove simulazioni ad alta risoluzione stanno cambiando il quadro. Un recente lavoro di un team guidato da Lucio Mayer all’Università di Zurigo, di cui fa parte anche Coughlin, utilizza una metodologia nota come idrodinamica a particelle levigate (SPH), che scompone una stella in “particelle” che interagiscono tra loro idrodinamicamente (ovvero, secondo le equazioni di Navier-Stokes, le stesse equazioni fondamentali che regolano il flusso dell’acqua in un tubo). Il loro studio ha impiegato decine di miliardi di particelle per modellare il gas della stella distrutta con un dettaglio senza precedenti. Il risultato è una visione superiore di ciò che accade dopo che una stella viene fatta a pezzi. Invece di disperdersi in modo caotico, i detriti formano un flusso stretto e coerente che segue un percorso prevedibile attorno al buco nero prima di scontrarsi con se stesso.
La loro scoperta conferma una previsione teorica di lunga data. Le simulazioni precedenti spesso descrivevano in modo errato la struttura del flusso perché non avevano la risoluzione necessaria per catturare dettagli così fini, il che portava a una “dispersione” dei detriti stellari e a livelli inaspettatamente elevati di dissipazione fluidodinamica. Con un numero di particelle molto maggiore e grazie allo sfruttamento delle unità di elaborazione grafica (GPU) su potenti supercomputer, la forma dei detriti diventa molto più facile da visualizzare.
Ma i nuovi modelli rivelano anche qualcos’altro.
Tre proprietà di un buco nero supermassiccio e dell’orbita stellare possono influenzare l’esito di un dato evento di distruzione mareale (TDE): la massa del buco nero, la sua velocità di rotazione e l’orientamento di tale rotazione rispetto al piano orbitale dei detriti in arrivo. Insieme, questi fattori possono determinare quando inizia il brillamento, quanto diventa luminoso e quanto dura.
Se il buco nero è in rotazione, induce ulteriori variazioni nello spaziotempo circostante rispetto a un buco nero non rotante, producendo un effetto noto come “precessione nodale”. Questo effetto può spostare il flusso di detriti dal suo piano originale, il che significa che il flusso potrebbe mancare se stesso dopo un’orbita, poi mancarlo di nuovo prima di collidere definitivamente. In alcuni casi, il brillamento può essere ritardato di diversi giri attorno al buco nero.
Questa complicazione potrebbe contribuire a spiegare uno degli enigmi più persistenti della ricerca sugli eventi di distruzione mareale (TDE). Non esistono due eventi esattamente uguali. Alcuni sorgono e svaniscono rapidamente. Altri si sviluppano più lentamente. Alcuni sono più luminosi, altri più deboli. Alcuni si comportano in modi che sono ancora difficili da classificare. Sebbene le differenze nella massa del buco nero potrebbero spiegare alcune di queste differenze, queste nuove simulazioni suggeriscono che lo spin del buco nero potrebbe essere una delle ragioni principali di tale diversità.
Gli eventi di distruzione mareale (TDE) trasformano oggetti invisibili in segnali leggibili. Una stella viene fatta a pezzi, i detriti si scontrano, emerge luce e viene rivelato un buco nero precedentemente nascosto. Grazie a simulazioni più accurate e telescopi più potenti, gli astronomi stanno imparando a leggere questi segnali con maggiore chiarezza che mai.
Source: Syracuse University
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