Per quasi due secoli non fu chiaro che il punto luminoso nella costellazione della Vergine, che Charles Messier aveva catalogato nel 1781 come “87: Nebulosa senza stelle”, fosse in realtà una galassia di enormi dimensioni. Di conseguenza, l’insolito getto osservato nel 1918 dall’astronomo Heber Curtis, che sembrava emergere dal centro di quella “nebulosa”, rimase a lungo privo di una spiegazione.
Una catena di plasmoidi si crea sul piano equatoriale lungo lo strato di corrente, dove la densità delle particelle (a sinistra) è maggiore. Qui avviene la riconnessione magnetica, che accelera le particelle fino a energie molto elevate (a destra). Le particelle raggiungono anche velocità relativistiche lungo l’asse di rotazione e alla fine formano il getto alimentato dal meccanismo di Blandford-Znajek. Grigio: linee del campo magnetico. Immagine: Meringolo, Camilloni, Rezzolla (2025)
Oggi sappiamo che al centro della gigantesca galassia M87 si trova il buco nero M87*, del quale la Collaborazione Eht ha ottenuto nel 2019 la prima, storica immagine. Questo colosso cosmico racchiude una massa pari a sei miliardi e mezzo di masse solari e ruota rapidamente attorno al proprio asse.
Sfruttando l’energia di questa rotazione, M87* alimenta un getto di particelle espulse a una velocità prossima a quella della luce, che si estende per circa 5mila anni luce nello spazio. Getti di questo tipo sono prodotti anche da altri buchi neri in rotazione: essi contribuiscono a distribuire energia e materia nell’universo, influenzando l’evoluzione di intere galassie.
Un team di astrofisici della Goethe University di Francoforte, guidato da Luciano Rezzolla, ha sviluppato un codice numerico, denominato Frankfurt particle-in-cell code for black hole spacetimes (Fpic), che descrive con elevata precisione i processi che convertono l’energia rotazionale in un getto di particelle. Il risultato: oltre al meccanismo di Blandford-Znajek, finora considerato responsabile dell’estrazione dell’energia rotazionale dal buco nero tramite forti campi magnetici, gli scienziati hanno scoperto che nell’estrazione dell’energia è coinvolto un altro processo, ovvero la riconnessione magnetica. In questo processo, le linee del campo magnetico si rompono e si ricompongono, portando alla conversione dell’energia magnetica in calore, radiazioni ed eruzioni di plasma.
Il codice Fpic ha simulato l’evoluzione di un vasto numero di particelle cariche e campi elettromagnetici estremi sotto l’influenza della forte gravità del buco nero. «La simulazione di tali processi è fondamentale per comprendere le complesse dinamiche dei plasmi relativistici in spazitempi curvi vicino a oggetti compatti, che sono governati dall’interazione di campi gravitazionali e magnetici estremi», spiega Claudio Meringolo, il principale sviluppatore del codice.
Le ricerche hanno richiesto simulazioni estremamente complesse, che hanno impegnato milioni di ore di Cpu sul supercomputer Goethe di Francoforte e sul Hawk di Stoccarda. Una tale potenza di calcolo era indispensabile per risolvere le equazioni di Maxwell e le equazioni del moto di elettroni e positroni secondo la teoria della relatività generale di Albert Einstein.
Nel piano equatoriale del buco nero, i calcoli dei ricercatori hanno evidenziato un’intensa attività di riconnessione magnetica, che ha portato alla formazione di una catena di plasmoidi – condensazioni di plasma in “bolle” altamente energetiche – che si muovono a velocità prossime a quella della luce. Secondo gli scienziati, questo processo è accompagnato dalla generazione di particelle con energia negativa, che viene utilizzata per alimentare fenomeni astrofisici estremi, come getti relativistici ed eruzioni di plasma.
«I nostri risultati aprono l’affascinante possibilità che il meccanismo di Blandford–Znajek non sia l’unico processo astrofisico capace di estrarre energia dalla rotazione di un buco nero», afferma Filippo Camilloni, che ha partecipato al progetto Fpic. «Anche la riconnessione magnetica potrebbe infatti contribuire in modo significativo a questo fenomeno».
«Con il nostro lavoro possiamo dimostrare come l’energia venga estratta in modo efficiente dai buchi neri rotanti e convogliata nei getti», afferma Rezzolla. «Questo ci aiuta a spiegare l’estrema luminosità dei nuclei galattici attivi e l’accelerazione delle particelle fino a velocità prossime a quella della luce». Aggiunge che è incredibilmente emozionante e affascinante comprendere meglio cosa accade vicino a un buco nero utilizzando sofisticati codici numerici. «Allo stesso tempo, è ancora più gratificante poter spiegare i risultati di queste complesse simulazioni con un trattamento matematico rigoroso, come abbiamo fatto nel nostro lavoro».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal Letters l’articolo “Electromagnetic Energy Extraction from Kerr Black Holes: Ab-Initio Calculations” di Claudio Meringolo, Filippo Camilloni e Luciano Rezzolla