Accretion dynamics of thin and thick disks in charged Kalb-Ramond black holes

Nel vasto e oscuro teatro del cosmo, i buchi neri sono gli ancoraggi supremi, che deformano lo spazio e il tempo così severamente che nemmeno la luce può sfuggire alla loro morsa. Per decenni, la nostra migliore mappa di questa gravità estrema è stata la teoria della Relatività Generale di Einstein, che ha superato ogni test che le è stato sottoposto, dalle increspature delle stelle in collisione alle prime immagini dirette dell'ombra di un buco nero. Eppure, gli scienziati sanno che questa mappa è incompleta. Non può spiegare cosa accada proprio al centro di un buco nero, dove le leggi della fisica sembrano interrompersi, né può unirsi facilmente con le regole del mondo quantistico. Per risolvere questo, i ricercatori esplorano teorie della gravità "modificate", chiedendosi cosa accadrebbe se la simmetria fondamentale del nostro universo — l'invarianza di Lorentz, che assicura che le leggi della fisica appaiano identiche indipendentemente da come ci si muove o dall'orientamento — fosse leggermente infranta. Una di queste teorie coinvolge un campo nascosto chiamato campo di Kalb-Ramond, il quale, se esistesse, lascerebbe un'impronta sottile nel tessuto dello spaziotempo.

Un team di fisici si è recentemente proposto di vedere se questo campo nascosto potesse essere rilevato osservando come la materia ruota attorno a un buco nero. Si sono concentrati su una specifica soluzione di buco nero elettricamente carico all'interno di questo quadro di gravità modificata. Il loro obiettivo era duplice: primo, vedere se questo strano buco nero potesse ancora apparire simile a quelli che abbiamo già fotografato; secondo, prevedere come il gas surriscaldato che cade in un tale buco nero si comporterebbe diversamente rispetto alla standard gravità einsteiniana. Confrontando i loro modelli teorici con le immagini reali catturate dall'Event Horizon Telescope del buco nero al centro della nostra galassia, Sagittarius A*, sono stati in grado di restringere le possibili proprietà di questo campo nascosto e rivelare come esso cambierebbe il bagliore del disco di accrescimento, l'anello di materia surriscaldata che nutre il buco nero.

I ricercatori hanno iniziato testando se il loro buco nero teorico potesse imitare quello reale. Hanno calcolato la dimensione dell' "ombra" che un buco nero proietterebbe contro lo sfondo luminoso del gas circostante, una caratteristica che dipende fortemente dalla massa del buco nero, dalla sua carica elettrica e dalla forza dell'effetto di rottura della simmetria di Lorentz. Nella versione standard e non carica di questa teoria, l'intervallo consentito per il parametro di rottura della simmetria era già piuttosto ristretto. Tuttavia, il team ha scoperto che l'aggiunta di una carica elettrica al mix creava una sorta di camuffamento cosmico. La carica e l'effetto di rottura della simmetria potevano bilanciarsi a vicenda, permettendo una gamma molto più ampia di valori per il campo nascosto di produrre comunque una dimensione dell'ombra che corrispondesse alle osservazioni di Sagittarius A*. Questa scoperta ha ampliato significativamente i possibili valori per il parametro di rottura della simmetria, suggerendo che, se questo campo esiste, potrebbe essere più forte o più debole di quanto precedentemente ipotizzato, e che alcune di queste configurazioni potrebbero persino esistere senza un tradizionale orizzonte degli eventi, apparendo invece come una singolarità nuda.

Con questi nuovi vincoli in atto, il team ha spostato la propria attenzione sul disco di accrescimento stesso, modellando due diversi tipi di flussi di gas: un disco sottile e piatto e un toroide spesso, a forma di ciambella. Per il disco sottile, hanno calcolato quanta energia il gas irradia mentre spiraleggia verso l'interno, riscaldandosi a causa dell'attrito e della gravità. Hanno scoperto che la presenza del campo di rottura della simmetria agisce come un regolatore della luminosità del buco nero. Quando il campo ha un valore positivo, il disco diventa più caldo e luminoso, emettendo più energia, particolarmente nell'intervallo ultravioletto ad alta frequenza. Quando il valore è negativo, il disco si raffredda e si oscura. Questo effetto è amplificato quando il buco nero è anche elettricamente carico, rendendo l'influenza combinata di carica e campo nascosto un potente motore della luminosità del disco. Anche l'efficienza con cui il buco nero converte la materia cadente in luce cambia, con i valori positivi del campo che rendono la conversione più efficiente.

La storia diventa più complessa guardando i dischi spessi, a forma di ciambella, che si trovano spesso nelle fasi iniziali dell'alimentazione di un buco nero o in sistemi dove il gas è troppo caldo per appiattirsi. In questo caso, i ricercatori hanno scoperto che il campo di rottura della simmetria rimodella la vera geometria della nube di gas. Esso sposta le orbite critiche dove il gas può circolare stabilmente attorno al buco nero, comprimendo efficacementamente la regione in cui può esistere un disco stabile e confinato. Nel modello einsteiniano standard, esiste un intervallo specifico di momento angolare che permette al gas di formare un toroide stabile e autosufficiente con un bordo interno e un confine esterno distinti. La presenza del campo di Kalb-Ramond restringe questa zona sicura. Se il gas cade al di fuori di questo nuovo e più stretto intervallo, non può mantenersi unito; invece di formare una ordinata ciambella, il gas diventa non confinato, diffondendosi in configurazioni aperte e instabili che possono sfuggire nello spazio o precipitare direttamente nel buco nero.

In definitiva, lo studio rivela che il campo nascosto di Kalb-Ramond non è solo una piccola modifica alle leggi della gravità, ma una forza capace di alterare fondamentalmente l'aspetto e il comportamento dei flussi di accrescimento dei buchi neri. Esso cambia quanto brilla il disco, quanto diventa caldo e persino la forma stessa della nube di gas. Sebbene l'ombra del buco nero possa apparire simile a quella che ci aspettiamo dalla fisica standard, la luce emessa dal gas vorticoso porta una firma distinta di questa rottura della simmetria. I ricercatori suggeriscono che osservando attentamente lo spettro di luce da questi dischi — in particolare cercando spostamenti nelle emissioni ad alta frequenza e la struttura precisa del flusso di gas — gli astronomi potranno un giorno distinguere tra un buco nero standard e uno influenzato da questo campo esotico. Questo lavoro non prova l'esistenza del campo, ma fornisce una chiara tabella di marcia su come cercarlo, trasformando il caos violento e vorticoso attorno a un buco nero in un laboratorio per testare le leggi più profonde dell'universo.