Analisi dei modelli di formazione dei getti nei buchi neri
I buchi neri sono entità cosmiche affascinanti, caratterizzate da una forza gravitazionale così intensa che nemmeno la luce può sfuggire una volta superato il loro orizzonte degli eventi. Tuttavia, è stato scoperto più di un secolo fa che proprio al di fuori dell’orizzonte degli eventi, i buchi neri possono produrre potenti flussi di materia ed energia, noti come getti, che possono viaggiare a velocità prossime a quella della luce. Le osservazioni telescopiche hanno mostrato questi getti estendersi direttamente verso l’esterno in flussi concentrati, simili a raggi laser, con alcuni getti che raggiungono lunghezze superiori a intere galassie.
Da quando sono stati scoperti i getti, molti studiosi, tra cui il premio Nobel Sir Roger Penrose, hanno studiato la formazione di questi fenomeni enigmatici. Attualmente, due modelli principali tentano di spiegare la formazione dei getti: il “modello BZ-jet”, dal nome dei ricercatori Blandford e Znajek e ora il modello più influente, sostiene che un getto si forma estraendo energia di rotazione da un buco nero tramite linee di campo magnetico collegate all’orizzonte degli eventi del buco nero. Al contrario, il secondo modello sostiene che un getto si forma estraendo energia rotazionale dal disco di accrescimento di un buco nero, una raccolta di gas ionizzato che ruota attorno al buco nero a causa della sua forte forza gravitazionale. Quest’ultimo può essere descritto come il “modello disco-jet”.
Valutazione dei modelli di formazione dei getti
Sebbene il modello BZ-jet fosse già stato utilizzato da altri ricercatori per simulare flussi collimati generalmente relativistici, ovvero getti, non era chiaro se il modello BZ-jet potesse spiegare la morfologia osservata di un getto reale, inclusa la sua struttura allungata, larghezza e luminosità ai bordi, cioè la sua maggiore luminosità vicino al bordo del getto.
Per indagare la validità di questi due modelli, un team internazionale guidato dal Dr. Yuan Feng dell’Osservatorio Astronomico di Shanghai dell’Accademia Cinese delle Scienze ha calcolato i getti previsti da questi due modelli per il buco nero supermassiccio al centro di Messier 87 (M87), una gigantesca galassia nella costellazione della Vergine. Il team ha poi confrontato i suoi calcoli con le osservazioni reali del getto di M87, che erano state registrate nella prima immagine di un buco nero mai catturata dal Telescopio Event Horizon (EHT). La ricerca del team ha mostrato che il modello BZ-jet prevedeva accuratamente la morfologia del getto di M87 osservato, mentre il modello disco-jet faticava a spiegare le osservazioni. Lo studio è stato pubblicato su Science Advances.
Metodologia e risultati
Per quanto riguarda i metodi, il team ha prima impiegato simulazioni tridimensionali generalmente relativistiche magnetoidrodinamiche (GRMHD) per riprodurre la struttura del getto di M87. Per calcolare la radiazione dai getti simulati e confrontare la radiazione con le osservazioni, lo spettro energetico e la distribuzione spaziale degli elettroni radianti erano cruciali. Il team ha ipotizzato che l’accelerazione degli elettroni avvenisse attraverso la “riconnessione magnetica”, ovvero un processo in cui l’energia magnetica viene convertita in energia cinetica, energia termica e accelerazione delle particelle. Basandosi su questa ipotesi, il team ha combinato i risultati degli studi di accelerazione delle particelle utilizzando la teoria cinetica per risolvere un’equazione di distribuzione dell’energia degli elettroni in stato stazionario. Ha poi ottenuto gli spettri energetici e le densità numeriche degli elettroni in diverse regioni dei getti simulati.
Combinando queste informazioni con simulazioni di accrescimento, inclusa la forza del campo magnetico, la temperatura del plasma di gas e la velocità, il team ha ottenuto risultati che potevano essere confrontati con osservazioni reali. I risultati hanno mostrato che la morfologia del getto prevista dal modello BZ-jet corrispondeva molto bene alla morfologia osservata del getto di M87, inclusa la larghezza del getto, la lunghezza, le caratteristiche di luminosità ai bordi e la velocità. Al contrario, le previsioni del modello disco-jet erano incoerenti con le osservazioni.
Inoltre, il team ha analizzato il processo di ricongiunzione magnetica e ha scoperto che era dovuto a eruzioni magnetiche generate dai campi magnetici nel disco di accrescimento del buco nero M87. Queste eruzioni causavano forti disturbi al campo magnetico, che potevano propagarsi su lunghe distanze, portando alla ricongiunzione magnetica nei getti.
Questo lavoro colma il divario tra i modelli dinamici di formazione dei getti e varie proprietà osservate dei getti, fornendo la prima evidenza che il modello BZ-jet affronta le questioni energetiche dei getti e spiega anche altre osservazioni.
