Jets with Streaks: the Global Dynamics and Structure of Striped Poynting flux dominated Jets
Questo articolo presenta le prime simulazioni GRMHD assialsimmetriche globali che dimostrano come i getti a dominanza di flusso di Poynting a strisce, lanciati da loop magnetici alternati su un buco nero in rotazione, formino un nucleo relativistico circondato da una guaina non relativistica e dissipino una quantità significativa di energia attraverso correnti a foglio a grandi distanze, fornendo un meccanismo vitale per l'emissione ad alta energia osservata nei blazar e nei burst di raggi gamma.
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Nel vasto e silenzioso teatro del cosmo, alcuni degli eventi più violenti ed energetici sono alimentati dai buchi neri. Quando la materia spiraleggia verso questi giganti gravitazionali, non svanisce semplicemente; spesso, viene scagliata nuovamente nello spazio a velocità vicine a quella della luce in fasci stretti e focalizzati noti come getti. Questi getti, osservati in sistemi che spaziano dai centri di galassie distanti alle conseguenze del collasso di stelle, sono composti da gas superriscaldato e intensi campi magnetici. Per decenni, gli astronomi hanno lottato per comprendere come questi getti riescano ad accelerare a velocità così incredibili e, cosa ancora più importante, come rilascino l'immensa energia che trasportano per produrre i brillanti lampi di luce che rileviamo dalla Terra. La teoria prevalente suggerisce che i campi magnetici che attraversano il buco nero agiscano come un motore cosmico, ma l'esatto meccanismo attraverso il quale questa energia magnetica si converte nella luce e nel calore che vediamo è rimasto un enigma.
Un team di ricercatori ha ora compiuto un passo significativo verso la risoluzione di questo mistero simulando la nascita e la vita di un tipo specifico di getto, uno che ha una struttura simile a un nastro striato. In questo scenario, i campi magnetici non sono uniformi; invece, invertono la direzione in strati alternati, creando un motivo a strisce. I ricercatori hanno utilizzato supercomputer potenti per modellare come questi getti striati si formino mentre anelli magnetici provenienti da un disco di gas rotante cadono su un buco nero in rotazione. Le loro simulazioni, che hanno seguito i getti dal loro punto di origine fino a una distanza di diecimila volte la dimensione del buco nero, hanno rivelato che questi getti non sono flussi singoli e solidi. Invece, sono composti da una serie di piccoli e distinti impulsi di energia, o "mini-getti", lanciati uno dopo l'altro. Ogni mini-getto trasporta un campo magnetico con una polarità opposta al suo vicino, creando una struttura nidificata dove un nucleo veloce e relativistico è circondato da un guscio più lento e freddo di linee magnetiche di ritorno.
Lo studio ha scoperto che, affinché questi getti si formino efficientemente, gli anelli magnetici nel disco di accrescimento devono originarsi molto vicino al buco nero, in una regione grande circa cinquanta volte la dimensione dell'orizzonte degli eventi. Se questi anelli si formano più all'esterno, la turbolenza nel disco li frammenta prima che possano essere inghiottiti, impedendo la formazione di un getto coerente. Una volta lanciati, i mini-getti accelerano rapidamente, spinti dalla pressione magnetica al loro interno. Le simulazioni hanno mostrato che finché il getto rimane in contatto con il suo asse centrale, accelera linearmente, guadagnando velocità man mano che si allarga. Tuttavia, questa accelerazione alla fine si arresta quando il getto si espande così tanto che l'informazione non può più viaggiare dai bordi verso il centro, tagliando di fatto il motore che ne guida la velocità.
La scoperta più critica di questo lavoro riguarda ciò che accade quando queste strisce magnetiche alternate collidono. Mentre i mini-getti viaggiano verso l'esterno, quelli che seguono finiscono per raggiungere quelli che precedono. Quando un mini-getto con un campo magnetico orientato in una direzione incontra un vicino con un campo orientato nell'altra, le linee magnetiche vengono forzate insieme e si spezzano, un processo noto come riconnessione. Questo spezzamento crea sottili e intensi strati di corrente elettrica chiamati fogli di corrente. I ricercatori hanno misurato che questi fogli di corrente sono capaci di dissipare una frazione sostanziale dell'energia del getto — decine di percentuali della sua potenza totale — convertendola in calore e luce. Questo processo avviene su una vasta gamma di distanze, da appena fuori dal buco nero fino a molto lontano nel flusso del getto.
Queste scoperte forniscono una spiegazione convincente per alcune delle più enigmatiche osservazioni nell'astronomia ad alta energia. Gli astronomi sono stati a lungo perplessi di fronte alle caratteristiche "superluminali" nei getti dei blazar, che sembrano muoversi più velocemente della luce a causa della loro velocità estrema e dell'angolo verso la Terra, nonché agli intensi e rapidi lampi di raggi gamma osservati nelle esplosioni cosmiche. Le simulazioni suggeriscono che i nodi di luce brillanti e veloci osservati in questi sistemi non siano solo fluttuazioni casuali, ma siano il risultato diretto del rilascio di energia nei fogli di corrente dove le strisce magnetiche collidono. Dimostrando come una struttura magnetica striata e alternata conduca naturalmente a un'efficiente dissipazione di energia, lo studio rafforza la tesi che questo specifico meccanismo sia responsabile del motore dei fenomeni più luminosi ed energetici dell'universo. Il lavoro non pretende di aver risolto ogni aspetto della fisica dei getti, ma offre il primo quadro completo e auto-coerente di come i getti striati nascano, come accelerino e come, infine, brillino.
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