SVELATI I MECCANISMI DI ACCELERAZIONE NEL PLASMA

Caos magnetico: così brillano i buchi neri

Una simulazione condotta da due ricercatori italiani della Columbia University ha mostrato come la radiazione ad alta energia che produce un bagliore osservabile nei pressi di stelle di neutroni e buchi neri sarebbe generata da elettroni che vengono spinti quasi alla velocità della luce dall’interazione tra turbolenze del gas caldo e fenomeni di riconnessione magnetica

     02/12/2019
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La stella di neutroni in rapida rotazione incorporata al centro della Nebulosa del Granchio è la dinamo che alimenta lo spettrale bagliore bluastro che si osserva all’interno della nebulosa. La luce blu proviene da elettroni che viaggiano quasi alla velocità della luce intorno alle linee di forza del campo magnetico dalla stella di neutroni. Crediti: Nasa, Esa, J. Hester (Arizona State University)

Secondo una nuova ricerca la radiazione non termica – ovvero non dipendente dalla temperatura del corpo – che rischiara i dintorni di buchi neri e stelle di neutroni, gli oggetti più densi del nostro universo, è alimentata dall’interazione tra il moto caotico del gas estremamente caldo di particelle cariche e la riconnessione di campi magnetici super potenti. Lo studio, ora pubblicato su The Astrophysical Journal, è stato realizzato dagli astrofisici italiani Luca Comisso e Lorenzo Sironi della statunitense Columbia University.

Dal punto di vista teorico si suppone da tempo che la radiazione ad alta energia che emana dalla regione che ospita stelle di neutroni e buchi neri sia generata da elettroni che si muovono quasi alla velocità della luce, ma il processo che accelera queste particelle non è ancora ben conosciuto.

Gli autori del nuovo studio, mediante simulazioni al supercalcolatore, hanno scoperto che il meccanismo alla base dell’accelerazione di queste particelle energetiche deriva dall’effetto combinato tra la turbolenza del plasma in cui si trovano gli elettroni e un fenomeno fisico conosciuto come riconnessione magnetica. Si tratta di un processo che avviene in plasma fortemente ionizzati, in cui le linee di campo magnetico si strappano e si riallacciano rapidamente, infliggendo potenti “colpi di frusta” alle particelle, che ne risultano accelerate a velocità relativistiche.

«È proprio grazie al campo elettrico indotto dalla riconnessione e dalla turbolenza che le particelle vengono accelerate alle energie più estreme, molto più elevate rispetto ai più potenti acceleratori esistenti sulla terra, come il Large Hadron Collider al Cern», commenta Comisso.

Luca Comisso e Lorenzo Sironi, Columbia University

Una risposta semplice di questo tipo nasconde in realtà una grande complessità. Nello studio dei gas turbolenti gli scienziati non riescono a prevedere con precisione gli esiti del movimento caotico. La “matematica della turbolenza” è particolarmente ostica e costituisce, infatti, uno dei 7 problemi matematici del millennio, per la cui soluzione è stato anche messo in palio un cospicuo premio.

Per affrontare questa sfida da un punto di vista astrofisico, Comisso e Sironi hanno progettato estese simulazioni – tra le più grandi al mondo mai realizzate in questa area di ricerca – per risolvere le equazioni che descrivono la turbolenza in un gas di particelle cariche.

«Abbiamo usato la tecnica più precisa, il metodo particle-in-cell, per calcolare le traiettorie di centinaia di miliardi di particelle cariche che regolano in modo coerente l’andamento dei campi elettromagnetici. Ed è questo campo elettromagnetico che dice all’elettrone come muoversi», spiega Sironi.

Il punto cruciale dello studio, secondo gli autori, era identificare il ruolo della riconnessione magnetica all’interno dell’ambiente turbolento. Le simulazioni hanno mostrato che la riconnessione rappresenta il meccanismo chiave per selezionare le particelle che saranno successivamente accelerate dai campi magnetici turbolenti.

Questa che sembra una scatola ricoperta di carta da regalo marmorizzata è in realtà il risultato di una pesante simulazione al super-computer che riproduce le forti fluttuazioni di densità delle particelle come si verificano negli ambienti turbolenti estremi che ospitano buchi neri e stelle di neutroni. Le regioni blu scuro sono a bassa densità di particelle, mentre in giallo sono rappresentate le zone molto dense. Crediti: Luca Comisso e Lorenzo Sironi, Columbia University

Inoltre, i calcoli hanno anche rivelato che le particelle hanno guadagnato la maggior parte della loro energia rimbalzando casualmente a una velocità estremamente elevata. Quando il campo magnetico è forte, questo meccanismo di accelerazione diviene molto rapido. Ma i campi forti costringono anche le particelle a viaggiare in un percorso curvo e, così facendo, emettono radiazioni elettromagnetiche.

“E questa è precisamente la radiazione emessa nella regione intorno ai buchi neri e alle stelle di neutroni, producendo il bagliore che possiamo osservare dalla Terra», aggiunge in conclusione Sironi.

L’obiettivo finale dei due ricercatori è quello di scoprire cosa accade realmente nell’ambiente estremo che circonda i buchi neri e le stelle di neutroni. A questo scopo, vorrebbero correlare in maniera stringente i risultati delle loro simulazioni con osservazioni reali, in particolare confrontando le loro previsioni con lo spettro elettromagnetico emesso dalla Nebulosa del Granchio, una stella collassata ed esplosa violentemente nell’anno 1054, il resto di supernova più intensamente studiato fra quelli conosciuti.

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