Gli astrofisici hanno identificato l’origine dei bagliori di buchi neri supermassicci

I buchi neri supermassicci non emettono luce da soli, ma sono noti per emettere bagliori periodici. Questi bagliori brillano appena fuori dall’orizzonte degli eventi dei buchi neri supermassicci.

Gli astronomi osservano regolarmente i buchi neri infiammarsi, ma il modo in cui ciò avvenga rimane sfuggente. Identificare dove si formano i bagliori nell’anatomia di un buco nero è incredibilmente difficile. Studi precedenti che utilizzavano computer potenti potevano solo simulare buco nero sistemi a risoluzioni troppo basse per vedere il meccanismo che alimenta i razzi.

Ora, gli astrofisici della Simons Foundation hanno riferito di aver risolto questo mistero. Hanno usato simulazioni al computer di potenza e risoluzione senza precedenti per identificare il meccanismo che alimenta bagliori di buchi neri. Hanno scoperto che l’energia rilasciata vicino all’orizzonte degli eventi di un buco nero durante la riconnessione delle linee del campo magnetico alimenta i bagliori.

Le nuove simulazioni mostrano che l’interazione tra il campo magnetico e il materiale che cade nel buco nero fa comprimere, appiattire, rompere e ricollegare il campo. Quel ciclo alla fine utilizza l’energia magnetica per fiondare particelle di plasma caldo a una velocità vicina alla luce nel buco nero o nello spazio. Tali particelle possono quindi trasmettere direttamente una parte della loro energia cinetica come fotoni e dare ai fotoni vicini una spinta di energia. Quei fotoni energetici costituiscono i misteriosi bagliori del buco nero.

Un'istantanea di una delle nuove simulazioni di buchi neri
Un’istantanea di una delle nuove simulazioni di buchi neri. Qui, le linee del campo magnetico verdi sono sovrapposte su una mappa di plasma caldo. Appena fuori dall’orizzonte degli eventi del buco nero, la connessione delle linee del campo magnetico che puntano in direzioni opposte crea un punto X in cui si incrociano. Questo processo di riconnessione lancia alcune particelle nel plasma nel buco nero e altre nello spazio, un passo importante nella generazione di brillamenti di buchi neri. B. Ripperda et al., Astrophysical Journal Letters 2022

In questo modello, il disco di materiale precedentemente caduto viene espulso durante i razzi, liberando la regione intorno al orizzonte degli eventi. Questa pulizia potrebbe offrire agli astronomi una visione senza ostacoli dei processi solitamente oscurati appena al di fuori dell’orizzonte degli eventi.

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Il co-autore principale dello studio Bart Ripperda, un borsista post-dottorato congiunto presso il Center for Computational Astrophysics (CCA) del Flatiron Institute di New York City e la Princeton University, ha dichiarato: “Il processo fondamentale di riconnessione delle linee del campo magnetico vicino all’orizzonte degli eventi può sfruttare l’energia magnetica della magnetosfera del buco nero per alimentare bagliori rapidi e luminosi”. Questo è davvero il punto in cui stiamo collegando la fisica del plasma con l’astrofisica”.

La simulazione creata dagli astrofisici è stata di gran lunga la simulazione con la risoluzione più alta mai realizzata dell’ambiente circostante di un buco nero, con oltre 1.000 volte la risoluzione degli sforzi precedenti.

Grazie all’alta risoluzione, gli scienziati hanno potuto vedere un’immagine dei meccanismi che portano a un bagliore di buco nero. Il processo è incentrato sul campo magnetico del buco neroche ha linee di campo magnetico che fuoriescono dall’orizzonte degli eventi del buco nero, formando il getto e collegandosi al disco di accrescimento.

Le simulazioni mostrano anche come il campo magnetico tra il materiale in movimento ei getti del buco nero si intensifichi, comprimendo e appiattendo le linee di campo equatoriali. Quelle linee di campo ora sono in corsie alternate che puntano verso il buco nero o lontano da esso.

Quando due linee che puntano in direzioni opposte si intersecano, possono rompersi, ricollegarsi e aggrovigliarsi. Questa intersezione crea una tasca riempita nel campo magnetico plasma caldo Che o cade nel buco nero o viene accelerato nello spazio a velocità tremende. Ciò accade a causa dell’energia prelevata dal campo magnetico nei getti.

Ripperda ha detto, “Senza l’alta risoluzione delle nostre simulazioni, non è possibile catturare le sottodinamiche e le sottostrutture. Nei modelli a bassa risoluzione, la riconnessione non si verifica, quindi non esiste alcun meccanismo che possa accelerare le particelle”.

Il team ha anche osservato che l’energia del campo magnetico diminuisce dopo che il buco nero è esploso per un po’ e il sistema si ripristina. Poi, nel tempo, il processo ricomincia. Questo meccanismo ciclico spiega perché i buchi neri emettono bagliori in orari che vanno da ogni giorno a ogni anno.

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Una vista dall’alto di un buco nero durante la preparazione di un bagliore. Il plasma caldo scorre inizialmente nel buco nero. Man mano che il campo magnetico si evolve, questo flusso si inverte e lancia del materiale verso l’esterno. Quel materiale accelerato genera il bagliore. B. Ripperda et al., Astrophysical Journal Letters 2022

Ripperda pensa, “Le osservazioni del telescopio spaziale James Webb lanciato di recente, combinate con quelle dell’Event Horizon Telescope, potrebbero confermare se il processo visto nelle nuove simulazioni sta avvenendo e se cambia le immagini dell’ombra di un buco nero. Bisognerà vedere”.

Il team sta ora lavorando per migliorare le simulazioni con maggiori dettagli.

Riferimento del giornale:

  1. B. Ripperda, M. Liska, K. Chatterjee, G. Musoke, AA Philippov, SB Markoff, A. Tchekhovskoy, Z. Younsi. Bagliori di buchi neri: espulsione del flusso magnetico accresciuto attraverso la riconnessione mediata da plasmoidi 3D. Le lettere del diario astrofisico, 2022; 924 (2): L32 DOI: 10.3847/2041-8213/ac46a1

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