Quanto ci si può avvicinare a un buco nero?

Flussi di gas cadono verso il loro destino, precipitando in buchi neri, rinchiusi per sempre dall'universo. Nei loro momenti finali, questi brandelli gassosi emettono un ultimo bagliore di luce, alcune delle emissioni più luminose dell'universo. 

Queste immersioni mortali sono troppo lontane per essere viste direttamente, ma gli astronomi hanno escogitato una nuova tecnica per rilevare le loro grida di aiuto in preda al panico. Stanno usando il metodo per testare la nostra conoscenza della gravità negli ambienti più estremi dell'universo.

In un nuovo studio, i fisici hanno esaminato le caratteristiche specifiche di quella luce per capire il più vicino possibile a un buco nero senza dover lavorare sodo per prevenire il disastro, una soglia chiamata orbita circolare stabile più interna o ISCO. I ricercatori hanno scoperto che il loro metodo potrebbe funzionare con telescopi a raggi X più sensibili in arrivo online. 

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Oltre la cascata

L'orizzonte degli eventi di un buco nero è l'invisibile linea nella sabbia attraverso la quale non puoi mai tornare. Una volta che qualcosa passa attraverso l'orizzonte degli eventi, anche la luce stessa, non può più tornare nell'universo. La gravità del buco nero è semplicemente troppo forte all'interno di quella regione.

Fuori da un buco nero, tuttavia, tutto è semplicemente dandy. Un particolare buco nero avrà una certa massa (ovunque da poche volte la massa del sole per i più piccoli nella galassia fino a miliardi di volte più pesante per i veri mostri che vagano per il cosmo), e orbitare attorno al buco nero è proprio come orbita attorno a qualsiasi altra cosa di massa identica. La gravità è solo gravità e le orbite sono orbite.

In effetti, molte cose nell'universo si trovano in orbita attorno ai buchi neri. Una volta che questi temerari avventurieri vengono presi nell'abbraccio gravitazionale del buco nero, iniziano il viaggio verso la fine. Quando il materiale cade verso il buco nero, tende a essere schiacciato in una banda sottile come un rasoio nota come disco di accrescimento. Quel disco gira e gira, con il calore, l'attrito e le forze magnetiche ed elettriche che lo eccitano, facendo brillare il materiale.

Nel caso dei buchi neri più massicci, i dischi di accrescimento intorno a loro brillano così intensamente da ottenere un nuovo nome: nuclei galattici attivi (AGN), in grado di eclissare milioni di singole galassie.

Nel disco di accrescimento, singoli frammenti di materiale si sfregano contro altri frammenti, prosciugandoli di energia rotazionale e guidandoli sempre all'interno fino alle fauci spalancate dell'orizzonte degli eventi del buco nero. Ma ancora, se non fosse per quelle forze di attrito, il materiale sarebbe in grado di orbitare attorno al buco nero per sempre, allo stesso modo in cui i pianeti possono orbitare attorno al sole per miliardi di anni.

Una richiesta di aiuto

Man mano che ti avvicini al centro del buco nero, però, raggiungi un certo punto in cui tutte le speranze di stabilità si infrangono contro le rocce della gravità. Appena fuori dal buco nero, ma prima di raggiungere l'orizzonte degli eventi, le forze gravitazionali sono così estreme che le orbite stabili diventano impossibili. Una volta raggiunta questa regione, non puoi rimanere in un'orbita tranquilla. Hai solo due scelte: se hai razzi o qualche altra fonte di energia, puoi spingerti via verso la salvezza. Ma se sei uno sfortunato pezzo di gas, sei condannato a cadere liberamente nell'oscuro incubo sottostante.

Questo confine, l'orbita circolare stabile più interna (o ISCO per gli amanti del gergo astronomico), è una ferma previsione della teoria della relatività generale di Einstein, la stessa teoria che predice l'esistenza dei buchi neri in primo luogo.

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Nonostante il successo della relatività generale nel prevedere e spiegare i fenomeni nell'universo e la nostra sicura conoscenza che i buchi neri sono reali, non siamo mai stati in grado di verificare l'esistenza dell'ISCO e se è conforme alle previsioni della relatività generale.

Ma il gas che cade verso il suo destino potrebbe fornirci un modo per verificare l'esistenza.

Luci danzanti

Un team di astronomi ha recentemente pubblicato un articolo sulla rivista Monthly Notice of the Royal Astronomical Society, che è stato anche caricato sulla rivista preprint arXiv, descrivendo come sfruttare quella luce morente per studiare l'ISCO. La loro tecnica si basa su un trucco astronomico noto come mappatura del riverbero, che sfrutta il fatto che diverse regioni attorno al buco nero si illuminano in modi diversi.

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Quando il gas fluisce dal disco di accrescimento, oltre l'ISCO - la parte più interna del disco di accrescimento - e nel buco nero stesso, diventa così caldo da emettere un'ampia fascia di radiazioni a raggi X ad alta energia. Quella luce a raggi X brilla in tutte le direzioni lontano dal buco nero. Possiamo vedere questa emissione dalla Terra, ma i dettagli della struttura del disco di accrescimento si perdono nel tripudio della gloria dei raggi X. (Capire di più sul disco di accrescimento aiuterà anche gli astrofisici a capire meglio l'ISCO.)

La stessa luce a raggi X illumina anche le regioni ben al di fuori del disco di accrescimento, regioni dominate da grumi di gas freddo. Il gas freddo viene eccitato dai raggi X e inizia ad emettere la propria luce, in un processo chiamato fluorescenza. Possiamo rilevare anche questa emissione, separatamente dalla fiammata di raggi X che emana dalle regioni più vicine al buco nero.

Ci vuole tempo perché la luce viaggi verso l'esterno dall'ISCO e dalla parte esterna del disco di accrescimento al gas freddo; se guardiamo attentamente, possiamo osservare dapprima le regioni centrali (l'ISCO e le parti più interne del disco di accrescimento) flare, seguito subito dall'accensione di "riverbero" degli strati esterni all'ISCO e il disco di accrescimento immediatamente circostante.

La tempistica ei dettagli della luce riverberata dipendono dalla struttura del disco di accrescimento, che gli astronomi hanno precedentemente utilizzato per stimare la massa dei buchi neri. In questo studio più recente, i ricercatori hanno utilizzato sofisticate simulazioni al computer per vedere come il movimento del gas all'interno dell'ISCO - come il gas muore quando finalmente cade verso l'orizzonte degli eventi del buco nero - influisce sull'emissione di raggi X sia nelle vicinanze che all'esterno. gas.

Hanno scoperto che mentre attualmente non abbiamo la sensibilità per misurare il gas condannato, la prossima generazione di telescopi a raggi X dovrebbe essere in grado di farlo, permettendoci di confermare l'esistenza dell'ICSO e testare se concorda con le previsioni del generale relatività, forse nelle regioni gravitazionalmente più estreme dell'intero universo.

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