Un team di fisici teorici dell’Universita’ Goethe di Francoforte ha ricostruito con simulazioni numeriche senza precedenti il meccanismo che consente ai buchi neri rotanti di produrre potenti getti di particelle che viaggiano quasi alla velocità della luce. Lo studio, pubblicato su ‘The Astrophysical Journal Letters’, apre nuove prospettive sulla comprensione dei nuclei galattici attivi e sull’origine dei fenomeni piu’ energetici dell’universo. Al centro della galassia ellittica M87, a 55 milioni di anni luce da noi, si trova M87*, un buco nero supermassiccio di 6,5 miliardi di masse solari che ruota rapidamente su se’ stesso. E’ da questa rotazione che il buco nero trae l’energia per alimentare un getto di particelle che si estende per oltre 5mila anni luce, osservato per la prima volta piu’ di un secolo fa. Per spiegare come questa energia venga estratta, il gruppo guidato da Luciano Rezzolla, ordinario di fisica teorica all’Universita’ Goethe, ha sviluppato un sofisticato codice di simulazione chiamato Fpic (Frankfurt Particle-in-Cell code for Black Hole Spacetimes).
Il programma descrive l’evoluzione di milioni di particelle cariche e campi elettromagnetici estremi sotto l’influenza della gravita’ di un buco nero rotante, risolvendo contemporaneamente le equazioni di Einstein e di Maxwell. Secondo i risultati, il celebre meccanismo di Blandford-Znajek, da tempo ritenuto il principale responsabile dell’estrazione di energia rotazionale attraverso campi magnetici intensi, non agisce da solo. I ricercatori hanno individuato un secondo processo, chiamato riconnessione magnetica, in cui le linee di campo magnetico si spezzano e si ricombinano liberando enormi quantita’ di energia sotto forma di calore, radiazione e plasma.
Le simulazioni mostrano che sul piano equatoriale del buco nero la riconnessione genera una catena di plasmoidi – bolle di plasma ad altissima energia – che si muovono quasi alla velocita’ della luce. Queste strutture accelerano elettroni e positroni e alimentano la formazione dei getti che emergono lungo l’asse di rotazione del buco nero. “Con il nostro lavoro possiamo mostrare come l’energia venga estratta in modo efficiente dai buchi neri rotanti e convogliata nei getti relativistici – spiega Luciano Rezzolla – questo aiuta a comprendere l’enorme luminosita’ dei nuclei galattici attivi e l’accelerazione delle particelle fino a velocita’ prossime a quella della luce”. I calcoli, estremamente complessi, hanno richiesto milioni di ore di calcolo sui supercomputer Goethe di Francoforte e Hawk di Stoccarda. “E’ incredibilmente affascinante osservare, grazie alle simulazioni, cio’ che accade nelle regioni piu’ estreme dell’universo – aggiunge Rezzolla – ma e’ ancora piu’ gratificante poter interpretare questi risultati con un quadro matematico rigoroso”. Lo studio dimostra che i getti dei buchi neri non sono prodotti da un solo meccanismo, ma dal contributo combinato di più processi magnetici e gravitazionali. Una scoperta che illumina – letteralmente – una delle piu’ grandi meraviglie dell’astrofisica moderna.
