Come la maggior parte delle galassie, la Via Lattea ospita al suo centro un buco nero supermassiccio. Chiamato Sagittario A*, l’oggetto ha catturato la curiosità degli astronomi per decenni. E ora si cerca di riprenderlo direttamente.

Per scattare una buona foto della bestia celeste è necessario capire meglio ciò che accade intorno ad essa, cosa che si è rivelata impegnativa a causa delle scale di grandezza smolto diverse che risultano essere utilizzate. “Questa è la cosa più grande che abbiamo dovuto superare”, ha detto Sean Ressler, ricercatore post-dottorato dell’UC Santa Barbara’s Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP), che ha appena pubblicato un articolo sull’Astrophysical Journal Letters, indagando sulle proprietà magnetiche del disco di accrescimento che circonda Sagittario A*.

Nello studio, Ressler, il collega KITP postdoc Chris White e i loro colleghi, Eliot Quataert dell’UC Berkeley e James Stone dell’Institute for Advanced Study, hanno cercato di determinare se il campo magnetico del buco nero, generato dalla materia in caduta, può accumularsi fino a soffocare brevemente questo flusso, una condizione che gli scienziati chiamano “arrestata magneticamente“. Per rispondere a questa condizione sarebbe necessario simulare il sistema fino alle stelle orbitanti più vicine.

Il sistema in questione si estende su sette ordini di grandezza. L’orizzonte degli eventi del buco nero, un luogo senza ritorno, raggiunge circa 4-8 milioni di chilometri dal suo centro. Nel frattempo, le stelle orbitano a circa 20 trilioni di chilometri di distanza, o circa fino alla stella vicina più vicina al Sole. “Quindi bisogna seguire le tracce della materia che cade da questa scala molto grande fino a questa scala molto piccola“, ha detto Ressler. “E farlo in un’unica simulazione è incredibilmente impegnativo, al punto che è impossibile“. Gli eventi più piccoli procedono su tempi di secondi, mentre i fenomeni più grandi si svolgono nell’arco di migliaia di anni.

Questo articolo collega le simulazioni su piccola scala, che sono per lo più basate sulla teoria, con simulazioni su larga scala che possono essere limitate da osservazioni reali. Per raggiungere questo obiettivo, Ressler ha suddiviso il compito tra modelli a tre scale sovrapposte.

La prima simulazione si è basata sui dati delle stelle circostanti di Sagittario A*. Fortunatamente, l’attività del buco nero è dominata da una trentina di stelle di Wolf-Rayet, che fanno saltare via enormi quantità di materiale. “La perdita di massa di una sola stella è maggiore della quantità totale di materiale che cade nel buco nero durante lo stesso tempo“, ha detto Ressler. Le stelle passano solo circa 100.000 anni in questa fase dinamica prima di passare a uno stadio più stabile.

Utilizzando dati osservazionali, Ressler ha simulato le orbite di queste stelle nel corso di circa mille anni. Ha poi utilizzato i risultati come punto di partenza per una simulazione delle distanze a medio raggio, che si evolvono su scale temporali più brevi. Lo ha ripetuto per una simulazione fino al limite dell’orizzonte degli eventi, dove l’attività si svolge in pochi secondi. Piuttosto che cucire insieme dure sovrapposizioni, questo approccio ha permesso a Ressler di sfumare i risultati delle tre simulazioni l’una nell’altra.

Questi sono in realtà i primi modelli dell’accrescimento alle scale più piccole di [Sagittarius] A* che tengono conto della realtà dell’apporto di materia proveniente dalle stelle orbitanti“, ha detto il coautore White.

E la tecnica ha funzionato splendidamente. “Ha superato le mie aspettative“, ha osservato Ressler.

I risultati indicano che il Sagittario A* può essere arrestato magneticamente. Questo è stato una sorpresa per la squadra, dato che la Via Lattea ha un centro galattico relativamente tranquillo. Di solito, i buchi neri arrestati magneticamente hanno getti ad alta energia che sparano particelle a velocità relativistiche. Ma finora gli scienziati hanno visto poche prove di getti intorno a Sagittario A*.

L’altro ingrediente che aiuta a creare i jet è un buco nero che gira rapidamente“, ha detto White, “quindi questo potrebbe dirci qualcosa sulla rotazione di Sagittario A*“.

Purtroppo, la rotazione del buco nero è difficile da determinare. Ressler ha fornito un modello di Sagittario A* come oggetto stazionario. “Non sappiamo nulla della rotazione“, ha detto. “C’è la possibilità che in realtà non stia girando“.

Ressler e White progettano di elaborare un modello di un buco nero che ruota, che è molto più impegnativo. Introduce immediatamente una serie di nuove variabili, tra cui la velocità di rotazione, la direzione e l’inclinazione rispetto al disco di accrescimento. Utilizzeranno i dati dell’interferometro GRAVITY dell’Osservatorio Europeo del Sud per guidare queste decisioni.

Il team ha utilizzato le simulazioni per creare immagini che possono essere confrontate con le osservazioni reali del buco nero. Gli scienziati che hanno collobarato con l’Event Horizon Telescope – che ha fatto notizia nell’aprile 2019 con la prima immagine diretta di un buco nero – hanno già richiesto i dati della simulazione per integrare il loro sforzo di fotografare il Sagittario A*.

Il telescopio Event Horizon Telescope prende effettivamente una media temporale delle sue osservazioni, che si traduce in un’immagine sfocata. Questo è stato un problema minore quando l’osservatorio ha puntato su Messier 87 *, perché è circa 1.000 volte più grande di Sagittario A, quindi cambia circa 1.000 volte più lentamente.

È come confrontare una foto di un bradipo contro una di un colibrì“, ha spiegato Ressler. I loro risultati attuali e futuri dovrebbero aiutare il consorzio a interpretare i loro dati sul nostro centro galattico.

I risultati di Ressler sono un grande passo avanti nella nostra comprensione dell’attività al centro della Via Lattea. “Questa è la prima volta che Sagittario A* è stato modellato su un raggio così ampio nelle simulazioni 3D nonchè le prime simulazioni su scala dell’orizzonte degli eventi che impiegano osservazioni dirette delle stelle di Wolf-Rayet”, ha detto Ressler.

Citazioni e Approfondimenti

  • Innovative model provides insight into the behavior of the black hole at the center of our galaxy, by University of California – Santa Barbara
  • Sean M. Ressler et al. Ab Initio Horizon-scale Simulations of Magnetically Arrested Accretion in Sagittarius A* Fed by Stellar Winds, The Astrophysical Journal (2020). DOI: 10.3847/2041-8213/ab9532