La rapida festa dei buchi neri sconvolge gli scienziati

Una nuova ricerca rivela che i buchi neri supermassicci stanno consumando il materiale che li circonda più velocemente di quanto si pensasse in precedenza. Questa intuizione, derivata da simulazioni ad alta risoluzione, potrebbe spiegare perché i quasar bruciano e svaniscono così rapidamente.

nuovo Università nordoccidentaleLo studio da lui condotto sta cambiando il modo in cui gli astrofisici comprendono le abitudini alimentari dei buchi neri supermassicci.

Mentre i ricercatori precedenti presumevano che i buchi neri mangiassero lentamente, nuove simulazioni suggeriscono che i buchi neri nascondono il cibo molto più velocemente di quanto suggerisca la comprensione convenzionale.

Lo studio è stato pubblicato il 20 settembre IL Giornale astrofisico.

Approfondimenti sulla simulazione

Secondo nuove simulazioni 3D ad alta risoluzione, i buchi neri rotanti deformano lo spaziotempo che li circonda, finendo per lacerare il violento vortice di gas (o disco di accrescimento) che li circonda e li alimenta. Questo suddivide il disco in sottodischi interni ed esterni. I buchi neri divorano prima l’anello interno. I detriti del sottodisco esterno si riversano quindi verso l’interno per riempire il vuoto lasciato dall’anello interno completamente consumato e il processo di consumo si ripete.

Un ciclo di questo processo continuo di mangiare-riempirsi-mangiare richiede solo mesi: un lasso di tempo incredibilmente veloce rispetto alle centinaia di anni precedentemente suggerite dai ricercatori.

Questa nuova scoperta potrebbe aiutare a spiegare il comportamento drammatico di alcuni degli oggetti più luminosi nel cielo notturno, compresi i quasar, che improvvisamente si accendono e poi scompaiono senza spiegazione.

Questa simulazione mostra come il disco di accrescimento di un buco nero supermassiccio potrebbe dividersi in due sottodischi, che non sono allineati in questa immagine. Credito: Nick Kaz/Northwestern University

“La teoria classica del disco di accrescimento prevede che il disco si evolva lentamente”, ha affermato Nick Kaz della Northwestern University, che ha guidato lo studio. “Ma alcuni quasar, che risultano dai buchi neri che mangiano gas dai loro dischi di accrescimento, sembrano cambiare radicalmente nel corso del tempo, nel corso di mesi o anni. Questa differenza è piuttosto drammatica. L’interno del disco, da cui proviene la maggior parte della luce, sembra essere distrutto.” Quindi si rigenera. La teoria classica del disco di accrescimento non può spiegare questa drastica differenza. Ma i fenomeni che vediamo nelle nostre simulazioni sì. Il rapido schiarimento e oscuramento è coerente con la distruzione delle regioni interne del disco.

Kaz è uno studente laureato in astronomia presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern University e membro del Centro per l’esplorazione e la ricerca interdisciplinare in astrofisica (CIERA). Kaz ha assistito il coautore dell’articolo Alexander Chekhovskoy, professore associato di fisica e astronomia di Weinberg e membro del CIERA.

False ipotesi

I dischi di accrescimento che circondano i buchi neri sono oggetti fisicamente complessi, il che li rende molto difficili da modellare. La teoria tradizionale ha faticato a spiegare perché questi dischi brillano intensamente e poi improvvisamente si affievoliscono, a volte fino al punto di scomparire del tutto.

Precedenti ricercatori avevano erroneamente ipotizzato che i dischi di accrescimento fossero relativamente organizzati. In questi modelli, gas e particelle ruotano Buco nero – Nello stesso piano del buco nero e nello stesso senso di rotazione del buco nero. Quindi, in un periodo di tempo compreso tra centinaia e centinaia di migliaia di anni, le molecole di gas si muovono gradualmente a spirale nel buco nero per alimentarlo.

“Il modo in cui il gas arriva al buco nero per alimentarlo è la questione centrale nella fisica del disco di accrescimento. Se sai come ciò accade, ti dirà quanto dura il disco, quanto è luminoso e come dovrebbe apparire la luce quando lo osserviamo con i telescopi”.
-Nick Kaz, autore principale

“Per decenni, le persone hanno dato per scontato che i dischi di accrescimento corrispondessero alla rotazione del buco nero”, ha detto Kaz. “Ma il gas che alimenta questi buchi neri non sa necessariamente in quale direzione sta ruotando il buco nero, quindi perché dovrebbe allinearsi automaticamente? Cambiare l’allineamento cambia radicalmente il quadro.”

La simulazione dei ricercatori, che è una delle simulazioni di dischi di accrescimento a più alta risoluzione fino ad oggi, suggerisce che le regioni attorno a un buco nero sono luoghi molto più caotici e turbolenti di quanto si pensasse in precedenza.

Più simile a un giroscopio, meno simile a un dipinto

Utilizzando Summit, uno dei supercomputer più grandi del mondo situato presso l’Oak Ridge National Laboratory, i ricercatori hanno eseguito una simulazione magnetoidrodinamica generale 3-D (GRMHD) di un disco di accrescimento sottile e inclinato. Mentre le simulazioni precedenti non erano abbastanza robuste da includere tutta la fisica necessaria per costruire un buco nero realistico, il modello condotto dalla Northwestern incorpora la dinamica dei gas, i campi magnetici e la relatività generale per mettere insieme un quadro più completo.

“I buchi neri sono oggetti relativistici generali estremi che influenzano lo spaziotempo che li circonda”, ha detto Kaz. “Quindi, quando gira, attira lo spazio attorno a sé come una gigantesca giostra e costringe anche lui a girare, un fenomeno chiamato ‘frame drag’. Questo crea un effetto molto forte vicino al buco nero, che diventa sempre più debole.” più lontano.”

Tirando il telaio si fa oscillare l’intero disco in circolo, in modo simile a come si muove un giroscopio. Ma il disco interno tende a oscillare molto più velocemente delle parti esterne. Questa discrepanza di forze provoca la deformazione dell’intero disco, provocando la collisione del gas proveniente da diverse parti del disco. Le collisioni creano shock luminosi che spingono violentemente la materia sempre più vicino al buco nero.

Man mano che la torsione diventa più intensa, la regione più profonda del disco di accrescimento continua ad oscillare sempre più velocemente finché non si separa dal resto del disco. Quindi, secondo le nuove simulazioni, i sottodischi iniziano ad evolversi indipendentemente l’uno dall’altro. Invece di muoversi agevolmente insieme come una piastra piatta che circonda un buco nero, i sottodischi oscillano indipendentemente a velocità e angoli diversi come le ruote di un giroscopio.

“Quando il disco interno si rompe, si muoverà da solo”, ha detto Kaz. “Si muove più velocemente perché è più vicino al buco nero e perché è più piccolo, quindi è più facile muoversi”.

“Dove vince il buco nero”

Secondo la nuova simulazione, la zona di rottura – dove i sottodischi interno ed esterno si separano – è dove inizia davvero la frenesia alimentare. Mentre l’attrito cerca di tenere insieme il disco, la deformazione dello spaziotempo provocata dal buco nero rotante vuole farlo a pezzi.

“C’è una competizione tra la rotazione del buco nero e l’attrito e la pressione all’interno del disco”, ha detto Kaz. “La zona di rottura è dove il buco nero vince. Il disco interno ed esterno entrano in collisione tra loro. Il disco esterno elimina gli strati del disco interno, spingendoli verso l’interno.

Ora i sottodischi si intersecano ad angoli diversi. Il disco esterno versa il materiale sul disco interno. Questa massa extra spinge anche il disco interno verso il buco nero, dove viene mangiato. La gravità del buco nero attira quindi il gas dalla regione esterna verso la regione interna, ora vuota, per riempirla.

Contatto Quasar

Questi rapidi cicli di mangiare, riempirsi e mangiare probabilmente spiegano il cosiddetto “aspetto variabile” del quasar, ha detto Kaz. I quasar sono oggetti estremamente luminosi che emettono 1.000 volte più energia dell’energia totale via LatteaDa 200 miliardi a 400 miliardi di stelle. I quasar con aspetto variabile sono considerati più estremi. Sembra che si accendano e si spengano nell’arco di mesi, un periodo di tempo breve per un tipico quasar.

Sebbene la teoria classica facesse ipotesi sulla rapidità con cui si evolvono i dischi di accrescimento e con il cambiamento di luminosità, le osservazioni dei quasar con aspetto variabile suggeriscono che in realtà si evolvono molto più velocemente.

“La regione interna del disco di accrescimento, da cui proviene la maggior parte della luminosità, potrebbe scomparire completamente, molto rapidamente, nel giro di pochi mesi”, ha detto Kaz. “Lo vediamo scomparire completamente. Il sistema smette di illuminarsi. Poi si illumina di nuovo e il processo si ripete. La teoria convenzionale non ha modo di spiegare perché è scomparso in primo luogo, né spiega come si riempie così rapidamente.”

Le nuove simulazioni non solo possono spiegare i quasar, ma potrebbero anche rispondere a domande persistenti sulla natura misteriosa dei buchi neri.

“Il modo in cui il gas arriva al buco nero per alimentarlo è la questione centrale nella fisica del disco di accrescimento”, ha detto Kaz. “Se sapessi come ciò accade, ti direbbe quanto dura il disco, quanto è luminoso e come dovrebbe apparire la luce quando lo osserviamo con i telescopi.”

Riferimento: “Shock degli ugelli, lacerazione del disco e stelle filanti portano a un rapido accrescimento nelle simulazioni 3D GRMHD di dischi sottili contorti” di Nicholas Kaz, Matthew T. B. Leska, Jonathan Jacquemin Eade, Zachary L. Andalman, Jeboa Mosuki, Aleksandr Chekhovskoy e Oliver Borth , 20 settembre 2023, Giornale astrofisico.
doi: 10.3847/1538-4357/ace051

Lo studio è stato sostenuto dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation.