I buchi neri
I buchi neri sono noti per risucchiare tutto ciò che attraversa i loro orizzonti degli eventi, compresa la luce. Ma perché gli astronomi vedono radiazione energetica proveniente dall’ambiente di un buco nero in un sistema binario a raggi X? È una buona domanda che finalmente ha una risposta.
Quando un buco nero e la sua stella compagna nel sistema orbitano in una danza gravitazionale reciproca, il materiale dalla stella spirale verso il buco nero. Si forma un disco di accrezione che brilla intensamente nei raggi X. Il disco è attraversato da forti campi magnetici che si attorcigliano man mano che il buco nero e il disco ruotano. Ma, da dove provengono i raggi X? Si scopre che fluiscono da regioni turbolente nel disco. Non provengono dal buco nero stesso.
Sistemi binari a raggi X
Per comprendere meglio questi sistemi binari, è utile dare un’occhiata generale alle loro origini. Queste coppie strane contengono generalmente una stella normale (di solito una stella di sequenza principale) accoppiata gravitazionalmente a una stella di neutroni o a un buco nero. Ci sono diversi tipi di sistemi. Uno è il tipo a bassa massa con una stella che ha una massa inferiore rispetto alla stella di neutroni o al buco nero compagno. Ce ne sono di massa intermedia, che contengono una stella di massa intermedia, e i sistemi binari a raggi X ad alta massa che hanno una stella di massa molto elevata nel sistema.
Impressione artistica di un sistema binario a raggi X. Questo si chiama MAXI J1820+070, con un buco nero (il piccolo punto nero al centro del disco di accrezione gassosa) e una stella compagna. Immagine prodotta con Binsim (credito: R. Hynes).
Le componenti buco nero/stella di neutroni si formano quando una stella compagna supermassiva esplode come una supernova. Dopo di che, la stella donatrice inizia a perdere massa verso la stella compagna ormai morta. Il materiale in caduta crea generalmente il disco di accrezione dove ha luogo un’attività ad alta energia. In generale, l’azione nel disco di accrezione genera le emissioni che gli astronomi rilevano in questi sistemi. I binari a bassa massa emettono più raggi X come parte del loro “bilancio” di radiazione, mentre quelli ad alta massa emettono molta luce ottica oltre ai raggi X.
Per lungo tempo, gli scienziati hanno cercato di comprendere le fonti della radiazione ad alta energia osservando come il materiale veniva risucchiato nei dischi di accrezione. I raggi X si verificano generalmente in ambienti estremamente energetici. Così, tutti assumevano che questi dischi avessero regioni energetiche localizzate. Un’idea era che i campi magnetici e le nuvole di gas locali interagissero, generando così i raggi X. L’attività sembra simile al riscaldamento nell’ambiente del Sole creato dall’attività magnetica legata alle eruzioni solari. Le eruzioni si verificano nei dischi di accrezione attorno ai buchi neri, e sono molto più estreme delle esplosioni del nostro Sole.
Generazione di raggi X nei buchi neri
Le simulazioni al supercomputer effettuate all’Università di Helsinki hanno aiutato a individuare la causa dei raggi X. Hanno modellato le interazioni tra radiazione, plasma superriscaldato e campi magnetici nei dischi di accrezione dei buchi neri in coppie binarie. Le simulazioni hanno mostrato che la turbolenza attorno al buco nero è incredibilmente forte. Il plasma produce effettivamente raggi X che emanano dai dischi di accrezione. Joonas Nättilä del gruppo di Astrofisica del Plasma Computazionale all’università ha guidato un team che ha investigato questo tipo di plasma estremo. Ha sottolineato che per comprendere ciò che sta accadendo dobbiamo considerare gli effetti della elettrodinamica quantistica sul sistema.
Il team ha modellato una miscela di plasma elettrone-positrone e fotoni. Il plasma elettrone-positrone è uno stato in cui elettroni e positroni interagiscono all’interno di un forte campo magnetico. In tali condizioni, la radiazione X locale si trasforma in elettroni e positroni. Poi, si annichilano di nuovo in radiazione quando ristabiliscono il contatto. Elettroni e positroni sono antiparticelle l’uno dell’altro. Ciò significa che di solito non si trovano nello stesso luogo. Inoltre, plasma e radiazione di solito non interagiscono tra loro. Ma, tutto questo può cambiare quando ti trovi nell’ambiente attorno a un buco nero. Lì, elettroni e positroni esistono a stretto contatto e i fotoni diventano così energetici da diventare parte dell’attività.
“Nella vita quotidiana, tali fenomeni quantistici in cui la materia appare improvvisamente al posto di luce estremamente brillante non sono, ovviamente, osservabili, ma vicino ai buchi neri, diventano cruciali,” ha detto Nättilä. “Ci sono voluti anni per investigare e aggiungere alle simulazioni tutti i fenomeni quantistici che si verificano in natura, ma alla fine, ne è valsa la pena,” ha aggiunto.
Per ulteriori informazioni
Spiegazione trovata per la radiazione a raggi X proveniente dai buchi neri
Simulazioni di plasma radiativo del flusso di accrezione dei buchi neri in stati hard e soft
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