Una nuova simulazione virtuale – la più dettagliata e complessa di sempre – pone fine a un dibattito di lunga data sulle dinamiche interne dei buchi neri

È il loro anno fortunato. Ad aprile abbiamo visto la loro prima immagine, che la comunità scientifica aspettava da tempo. Ora, a soli tre mesi di distanza, i buchi neri tornano all’onore della cronaca: un team di astrofisici ne ha fatto la simulazione virtuale più dettagliata e complessa di sempre, che svela come la parte interna del disco di accrescimento si allinea con l’equatore del suo buco nero rotante, mentre la parte esterna rimane inclinata.

Raccontata in questo modo, sembra un dettaglio molto tecnico. In verità, si tratta di una scoperta piuttosto importante, visto che mette a tacere un dibattito nato nel 1975, quando il premio Nobel per la fisica John Bardeen e l’astrofisico Jacobus Petterson proposero proprio questo scenario. L’effetto Bardeen-Petterson però, così chiamato in onore dei suoi primi sostenitori, non era mai stato confermato. Fino a oggi.

Matthew Liska, primo autore dello studio, pubblicato nel Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, dichiara: “Questa simulazione non risolve solo un problema annoso nel mondo dell’astrofisica, ma apre anche la strada a una nuova generazione di modelli, che spero aiuteranno a scoprire tutti i segreti dei dischi di accrescimento”. Facciamo chiarezza: il disco di accrescimento è un anello di materia (gas, polveri e detriti stellari) che spiraleggia intorno a ogni buco nero, raggiungendo temperature di milioni di gradi prima di attraversare l’orizzonte degli eventi (il limite oltre il quale tutto viene assorbito dal buco, luce compresa). È essenziale: senza visualizzare questo anello di gas e materia, gli astronomi non potrebbero rilevare la presenza di un buco nero, e pertanto non potrebbero studiarlo. Oltre a essere fondamentale per la sua individuazione, il disco di accrescimento controlla anche la crescita e il movimento del buco nero. Conoscerlo nei dettagli è pertanto cruciale per avere maggiori informazioni sulla natura del buco nero a cui appartiene.

Alexander Tchekhovskoy, co-autore dell’articolo, spiega: “Questi piccoli dettagli possono sembrare ininfluenti, ma i dischi di accrescimento controllano la velocità di rotazione dei buchi neri, e hanno quindi effetti enormi sull’intera galassia”.

Le simulazioni precedenti non erano riuscite a evidenziare l’allineamento, sia per l’estrema velocità con cui la materia precipita dentro il buco nero, sia perché era impossibile misurare l’agitazione termica presente nel disco con la capacità computazionale a disposizione, insufficiente in situazioni così complesse.

Per sviluppare un codice in grado di portare a termine simulazioni realistiche dei dischi di accrescimento inclinati intorno ai buchi neri, Tchekhovskoy e Liska hanno utilizzato le unità di elaborazione grafica (GPUs), una tipologia particolare di processore specializzata nell’interpretazione delle immagini. Questo sistema accelera la simulazione e manipola le immagini rendendole di più facile comprensione. Hanno anche impiegato il metodo delle mesh adattative per aumentare la risoluzione della simulazione, producendo un’immagine molto precisa.

Questi miglioramenti hanno permesso al team di riprodurre un disco particolarmente sottile, con un rapporto altezza-raggio di 0,03. “Anche con uno spessore così piccolo” conclude Tchekhovskoy “il buco nero continua a emettere jets di radiazione e materia. Non ce lo aspettavamo, ma saperlo ci aiuterà a risolvere diversi misteri ancora irrisolti”.

In questa simulazione complessa, i ricercatori hanno potuto notare bene l’allineamento tra la porzione interna del disco e l’equatore del buco nero. È il successo indiscusso di Bardeen e Pettersen, quello che si sarebbero meritati più di quarant’anni fa.