Un team di astrofisici guidato dal Caltech è riuscito per la prima volta a simulare il viaggio del gas primordiale risalente all’universo primordiale fino allo stadio in cui viene travolto da un disco di materiale che alimenta un singolo buco nero supermassiccio. La nuova simulazione al computer capovolge le idee su tali dischi che gli astronomi hanno sostenuto fin dagli anni ’70 e apre la strada a nuove scoperte su come i buchi neri e le galassie crescono ed evolvono.
L’evoluzione dei buchi neri
“La nostra nuova simulazione segna il culmine di diversi anni di lavoro derivanti da due grandi collaborazioni avviate qui al Caltech”, afferma Phil Hopkins, professore di astrofisica teorica Ira S. Bowen.
La prima collaborazione, soprannominata FIRE (Feedback in Realistic Environments), si è concentrata sulle scale più grandi dell’universo, studiando questioni come come si formano le galassie e cosa succede quando le galassie si scontrano. L’altra, soprannominata STARFORGE, è stata progettata per esaminare scale molto più piccole, tra cui come si formano le stelle in singole nubi di gas.
“Ma c’era questo grande divario tra i due”, spiega Hopkins. “Ora, per la prima volta, abbiamo colmato quel divario”.
Per riuscirci, i ricercatori hanno dovuto realizzare una simulazione con una risoluzione oltre 1.000 volte superiore a quella migliore finora realizzata nel settore.
Con sorpresa del team, come riportato su The Open Journal of Astrophysics , la simulazione ha rivelato che i campi magnetici svolgono un ruolo molto più importante di quanto si pensasse in precedenza nella formazione e nella modellazione degli enormi dischi di materiale che turbinano attorno ai buchi neri supermassicci e li alimentano .
“Le nostre teorie ci dicevano che i dischi avrebbero dovuto essere piatti come le crêpes”, dice Hopkins. “Ma sapevamo che non era così perché le osservazioni astronomiche rivelano che i dischi sono in realtà soffici, più simili a una torta degli angeli. La nostra simulazione ci ha aiutato a capire che i campi magnetici sostengono il materiale del disco, rendendolo più soffice”.
Nella nuova simulazione, i ricercatori hanno eseguito quello che chiamano un “super zoom-in” su un singolo buco nero supermassiccio, un oggetto mostruoso che si trova nel cuore di molte galassie, inclusa la nostra Via Lattea. Questi corpi famelici e misteriosi contengono da migliaia a miliardi di volte la massa del sole, e quindi esercitano un effetto enorme su tutto ciò che si avvicina.
Gli astronomi sanno da decenni che quando gas e polvere vengono attirati dalla tremenda gravità di questi buchi neri, non vengono immediatamente risucchiati. Invece, il materiale forma prima un disco che ruota rapidamente, chiamato disco di accrescimento. E quando il materiale sta per cadere, irradia un’enorme quantità di energia, brillando con una brillantezza senza pari in quasi tutto l’universo. Ma molto non si sa ancora su questi buchi neri supermassicci attivi , chiamati quasar, e su come si formano e si comportano i dischi che li alimentano.
Sebbene i dischi attorno ai buchi neri supermassicci siano già stati fotografati in precedenza (l’Event Horizon Telescope ha ripreso i dischi che orbitano attorno ai buchi neri nel cuore della nostra galassia nel 2022 e Messier 87 nel 2019), questi dischi sono molto più vicini e più mansueti di quelli che ruotano attorno ai quasar.
Per visualizzare cosa accade attorno a questi buchi neri più attivi e distanti, gli astrofisici si rivolgono alle simulazioni dei supercomputer. Inseriscono informazioni sulla fisica in atto in queste ambientazioni galattiche, dalle equazioni di base che governano la gravità a come trattare la materia oscura e le stelle, in migliaia di processori di calcolo che lavorano in parallelo.
Questo input include molti algoritmi, o serie di istruzioni, che i computer devono seguire per ricreare fenomeni complicati. Quindi, per esempio, i computer sanno che una volta che il gas diventa abbastanza denso, si forma una stella. Ma il processo non è così semplice.
“Se dici semplicemente che è la gravità ad attrarre tutto verso il basso e poi alla fine il gas forma una stella e le stelle si accumulano, sbagli di grosso”, spiega Hopkins.
Dopotutto, le stelle fanno molte cose che influenzano l’ambiente circostante. Emettono radiazioni che possono riscaldare o spingere il gas circostante. Soffiano venti come il vento solare creato dal nostro sole, che può spazzare via materiale. Esplodono come supernovae, a volte lanciando materiale fuori dalle galassie o cambiando la chimica dell’ambiente circostante. Quindi, i computer devono conoscere tutti i dettagli di questo “feedback stellare”, poiché regola quante stelle una galassia può effettivamente formare.
A queste scale più grandi, l’insieme di fisica che è più importante includere e quali approssimazioni possono essere fatte differiscono da quelle a scale più piccole. Ad esempio, su scala galattica, i dettagli complicati di come si comportano atomi e molecole sono estremamente importanti e devono essere integrati in qualsiasi simulazione. Tuttavia, gli scienziati concordano sul fatto che quando le simulazioni si concentrano sull’area più immediata attorno a un buco nero, la chimica molecolare può essere per lo più ignorata perché il gas lì è troppo caldo perché atomi e molecole possano esistere. Invece, ciò che esiste lì è plasma ionizzato caldo.
Creare una simulazione in grado di coprire tutte le scale rilevanti fino al livello di un singolo disco di accrescimento attorno a un buco nero supermassiccio è stata un’enorme sfida computazionale, che ha richiesto anche un codice in grado di gestire tutta la fisica.
“C’erano alcuni codici che avevano la fisica necessaria per risolvere la parte su piccola scala del problema e altri codici che avevano la fisica necessaria per risolvere la parte più ampia e cosmologica del problema, ma nessuno che avesse entrambe le cose”, afferma Hopkins.
Il team guidato dal Caltech ha utilizzato un codice che chiamano GIZMO sia per i progetti di simulazione su larga scala che per quelli su piccola scala. È importante notare che hanno costruito il progetto FIRE in modo che tutta la fisica che vi hanno aggiunto potesse funzionare con il progetto STARFORGE e viceversa.
“L’abbiamo costruito in modo molto modulare, in modo che si potessero attivare e disattivare tutti gli elementi di fisica desiderati per un dato problema, mantenendoli tutti compatibili tra loro”, afferma Hopkins.
Ciò ha permesso agli scienziati dell’ultimo lavoro di simulare un buco nero che è circa 10 milioni di volte la massa del nostro sole, a partire dall’universo primordiale . La simulazione poi ingrandisce quel buco nero in un momento in cui un flusso gigantesco di materiale viene strappato da una nube di gas che forma stelle e inizia a turbinare attorno al buco nero supermassiccio. La simulazione può continuare ad ingrandire, risolvendo un’area più fine a ogni passaggio mentre segue il gas nel suo percorso verso il buco.
“Nella nostra simulazione, vediamo questo disco di accrescimento formarsi attorno al buco nero”, dice Hopkins. “Saremmo stati molto emozionati se avessimo visto solo quel disco di accrescimento , ma ciò che è stato molto sorprendente è che il disco simulato non assomiglia a ciò che abbiamo pensato per decenni che dovesse assomigliare”.
In due articoli seminali degli anni ’70 che descrivevano i dischi di accrescimento che alimentavano i buchi neri supermassicci, gli scienziati hanno ipotizzato che la pressione termica, ovvero il cambiamento di pressione causato dal cambiamento di temperatura del gas nei dischi, svolgesse il ruolo dominante nell’impedire a tali dischi di collassare sotto la tremenda gravità che sperimentano vicino al buco nero. Hanno riconosciuto che i campi magnetici potrebbero svolgere un ruolo minore nell’aiutare a sostenere i dischi.
Al contrario, la nuova simulazione sui buchi neri ha scoperto che la pressione dei campi magnetici di tali dischi era in realtà 10.000 volte maggiore della pressione derivante dal calore del gas.
“Quindi, i dischi sono quasi completamente controllati dai campi magnetici”, afferma Hopkins. “I campi magnetici svolgono molte funzioni, una delle quali è quella di sostenere i dischi e rendere il materiale gonfio”.
Questa consapevolezza modifica una serie di previsioni che gli scienziati possono fare su tali dischi di accrescimento, come la loro massa, la loro densità e il loro spessore, la velocità con cui il materiale dovrebbe essere in grado di spostarsi da essi verso un buco nero e persino la loro geometria (ad esempio se i dischi possono essere asimmetrici).
Guardando al futuro, Hopkins spera che questa nuova capacità di colmare il divario nelle scale per le simulazioni cosmologiche aprirà molte nuove strade di ricerca. Ad esempio, cosa succede in dettaglio quando due galassie si fondono? Quali tipi di stelle si formano nelle regioni dense delle galassie dove le condizioni sono diverse da quelle nelle vicinanze del nostro sole? Come potrebbe essere stata la prima generazione di stelle nell’universo?
“C’è così tanto da fare”, dice.
