La comprensione di come i buchi neri divorano la materia circostante emettendo radiazione intensa ha compiuto un salto qualitativo senza precedenti grazie a simulazioni computazionali che, per la prima volta, integrano completamente la relatività generale di Einstein con gli effetti dominanti della radiazione. Questo traguardo, raggiunto attraverso l'impiego dei supercomputer più potenti al mondo, supera decenni di modelli semplificati che dovevano sacrificare il realismo fisico per rendere i calcoli gestibili. La ricerca, pubblicata su The Astrophysical Journal, apre una finestra completamente nuova sugli ambienti estremi che circondano questi oggetti cosmici, permettendo agli astrofisici di "osservare" attraverso algoritmi ciò che i telescopi possono captare solo come deboli segnali luminosi.
Il team guidato da Lizhong Zhang, ricercatore postdottorale presso l'Institute for Advanced Study e il Center for Computational Astrophysics del Flatiron Institute, ha sviluppato il primo algoritmo in grado di risolvere le equazioni del trasporto radiativo senza ricorrere ad approssimazioni. "I sistemi di accrescimento sui buchi neri sono estremamente non lineari: qualsiasi assunzione semplificativa può alterare completamente il risultato", ha spiegato Zhang. Il metodo tradizionale trattava la radiazione come un fluido, una convenzione matematica che non rispecchia il comportamento reale dei fotoni nello spaziotempo curvo. L'approccio innovativo ora consente di seguire esattamente come la radiazione interagisce con il gas in caduta, trasportando energia e momento attraverso la geometria distorta dalla gravità.
Lo studio si concentra sui buchi neri di massa stellare, oggetti con massa tipicamente pari a circa dieci volte quella del Sole, ben più piccoli del celebre Sagittarius A* al centro della Via Lattea. Nonostante le loro dimensioni cosmiche ridotte li rendano visibili solo come punti luminosi, offrono vantaggi scientifici rilevanti: evolvono su scale temporali di minuti o ore anziché secoli, permettendo di osservare cambiamenti rapidi e analizzare spettri energetici in tempo reale. Mentre le immagini dirette dei buchi neri supermassicci hanno segnato una svolta mediatica, sono proprio gli spettri di questi oggetti stellari a rivelare i dettagli fisici dei processi di accrescimento.
Le simulazioni hanno riprodotto con fedeltà sorprendente le osservazioni di sistemi reali, dalle sorgenti X ultraluminose ai sistemi binari a raggi X. I ricercatori hanno seguito la materia mentre forma dischi turbolenti dominati dalla radiazione, osservando la formazione di venti potenti che fluiscono verso l'esterno e, in alcuni casi, getti relativistici. La concordanza tra gli spettri luminosi simulati e quelli osservati dagli astronomi rappresenta una validazione cruciale: per la prima volta è possibile interpretare dati osservativi limitati con modelli fisicamente completi, senza dover indovinare quali processi dominino nei diversi regimi energetici.
Il progetto ha richiesto accesso a due delle macchine di calcolo più avanzate del pianeta: Frontier presso l'Oak Ridge National Laboratory e Aurora presso l'Argonne National Laboratory. Questi supercomputer exascale possono eseguire un quintilione di operazioni al secondo, una capacità che ricorda, per dimensioni fisiche e ambizione scientifica, l'Electronic Computer Project guidato da John von Neumann all'Institute for Advanced Study negli anni Cinquanta. Christopher White del Flatiron Institute e della Princeton University ha sviluppato l'algoritmo di trasporto radiativo, mentre Patrick Mullen, già membro dell'Institute e ora al Los Alamos National Laboratory, ha integrato il sistema nel codice AthenaK, specificamente ottimizzato per architetture exascale.
La complessità delle equazioni coinvolte aveva finora reso impossibile qualsiasi simulazione realistica. Le condizioni nei dischi di accrescimento richiedono di tracciare simultaneamente il moto del gas relativistico, il campo magnetico, la curvatura dello spaziotempo e la propagazione della radiazione attraverso regioni con temperature e densità estremamente variabili. "Ciò che rende unico questo progetto è, da un lato, il tempo e lo sforzo dedicati allo sviluppo della matematica applicata e del software necessari, dall'altro l'accesso a enormi allocazioni computazionali sui supercomputer più grandi al mondo", ha sottolineato James Stone, professore all'Institute for Advanced Study e coautore dello studio.
Le prospettive future della ricerca includono l'estensione del modello ai buchi neri supermassicci, che con masse milioni o miliardi di volte superiori a quella solare giocano un ruolo centrale nell'evoluzione delle galassie. Questi giganti cosmici presentano condizioni fisiche diverse, ma la metodologia sviluppata potrebbe finalmente permettere di comprendere come regolino la formazione stellare nelle galassie ospiti e come alimentino i quasar più distanti dell'universo. Ulteriori sviluppi riguarderanno il perfezionamento del trattamento delle interazioni radiazione-materia su intervalli ancora più ampi di temperature e densità, oltre all'integrazione di processi nucleari nei dischi di accrescimento.
