Spiegata l'origine di alcuni raggi X energetici nei buchi neri

Un team di ricercatori ha confermato i sospetti su come i buchi neri di masse stellari producano le loro emissioni più energetiche.
«Il nostro studio traccia i complessi movimenti, le interazioni di particelle e i turbolenti campi magnetici nel gas a miliardi di gradi centigradi alla soglia di un buco nero, uno degli ambienti fisici più estremi dell'Universo», spiega Jeremy Schnittman della NASA.
Analizzando una simulazione computerizzata del gas in caduta libera verso il buco nero, il team guidato da Schnittman è riuscito a riprodurre una varietà di importanti fenomeni di raggi X osservati più volte negli ultimi decenni in buchi neri attivi.


Il gas in orbita attorno a un buco nero si accumula e si appiattisce, formando un disco attorno al corpo centrale. Il materiale all'interno di questo disco percorre lente spirali che lo portano ad essere inghiottito dal buco nero. Avvicinandosi al corpo, il gas viene compresso e riscaldato, raggiungendo temperature pari a 12 milioni di gradi centigradi – 2000 volte la temperatura superficiale del nostro Sole. In queste condizioni, il gas si illumina nei raggi X meno energetici, i cosiddetti raggi X molli.
Da più di 40 sappiamo però che i buchi neri sono anche potenti sorgenti di raggi X decine o addirittura centinaia di volte più energetici, i cosiddetti raggi X duri. Ciò implica la presenza di gas ancor più caldo, con temperature di miliardi di gradi.
Il team di Schnittman è riuscito a colmare il buco tra la teoria e le osservazioni, dimostrando che anche i raggi X duri sono originati nel disco di gas in orbita attorno al buco nero.
Schnittman, in collaborazione con Julian Krolik della John Hopkins University di Baltimora e Scott Noble del Rochester Institute Of Technology a Rochester, ha elaborato un nuovo processo per modellare la regione interna del disco di accrescimento di un buco nero, tracciando le emissioni e i movimenti dei raggi X e confrontando i risultati con le osservazioni reali.
Noble si è dedicato alla risoluzione di tutte le equazioni che governano il complesso moto del gas in caduta libera, i cui aumenti di temperatura, densità e velocità amplificano incredibilmente i campi magnetici nel disco, che a loro volta influenzano il gas. Il gas può raggiungere velocità simili a quella della luce, e i calcoli hanno dovuto comprendere tutte le proprietà della meccanica dei fluidi, elettriche e magnetiche del gas affiancate alla teoria della relatività di Einstein.
La simulazione di Noble ha richiesto 960 dei 63 mila processori centrali del Texas Advanced Computing Center dell'Università del Texas ad Austin, ed è durata 27 giorni.
Nel corso degli anni, con nuove e sempre più precise osservazioni, gli astronomi hanno raccolti indizi che indicavano che i raggi X duri potrebbero formarsi in una calda e rarefatta corona sopra il disco, una struttura analoga alla corona che avvolge il Sole.
«Gli astronomi si aspettavano anche che il disco sopportasse i forti campi magnetici e speravano che questi campi potessero "spumeggiare" fuori, creando la corona», spiega Noble. «Ma nessuno sapeva per certo se ciò accadesse veramente e, se così fosse, se i raggi X prodotti sarebbero corrisposti a quelli osservati».
Utilizzando i dati della simulazione di Noble, Schnittman e Krolik sono riusciti a tracciare il percorso dei raggi X appena emessi fino a quando venivano assorbiti o dispersi sia nel disco di accrescimento, sia nella regione della corona. L'unione di tutti questi elementi ha portato al primo collegamento diretto tra la turbolenza magnetica del disco, la formazione di una corona a temperature di miliardi di gradi e la produzione di raggi X duri attorno a un buco nero attivo.
Nella corona, gli elettroni e altre particelle si muovono a velocità poco minori di quella della luce. Quando un raggio X mollo proveniente dal disco attraversa questa regione, ha determinate probabilità di scontrarsi contro una di queste particelle. Lo scontro, secondo la diffusione di Compton, aumenterà esponenzialmente l'energia del raggio X.
«I buchi neri sono veramente esotici, con temperature straordinariamente alte, moti incredibilmente rapidi e gravità che esprimono la completa stranezza della relatività generale», spiega Krolik. «Ma i nostri calcoli mostrano che possiamo capire molto su di essi usando solamente i principi della fisica standard».
Nelle simulazioni, i tre ricercatori hanno considerato un buco nero privo di moto di rotazione. Un passo in avanti, come spiega il team stesso, potrebbe essere quello di ricalcolare tutto nel caso – ancor più estremo – di un buco nero in rotazione e confrontare ulteriormente i risultati con i ricchi archivi di osservazioni a raggi X della NASA.

Image courtesy of Johns Hopkins University
Spiegata l'origine di alcuni raggi X energetici nei buchi neri Spiegata l'origine di alcuni raggi X energetici nei buchi neri Reviewed by Pietro Capuozzo on 14.6.13 Rating: 5
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