Tre minuti di danza per due enormi buchi neri

Una simulazione della Nasa riproduce il volteggiare l’uno attorno all’altro di due buchi neri di duecento e cento milioni di volte la massa del Sole e mostra – guardando il sistema da tutte le angolazioni possibili – gli effetti relativistici estremi che deformano la luce quando attraversa campi gravitazionali così intensi come quelli generati dai due oggetti.
dì Valentina Guglielmo
www.media.inaf.it

Un pas de deux fra due buchi neri, mossi dall’incessante musica della gravità e immersi nella pista da ballo cosmica dello spazio-tempo per creare le figure scritte nella coreografia della relatività generale. L’unico copione noto in grado di mettere in scena i fenomeni gravitazionali più estremi. La produzione di Jeremy Schnittmann, astrofisico al Goddard Space Flight Center della Nasa. Per realizzare il video, un giorno intero di calcolo incessante al supercomputer con 129mila processori di Brian P. Powell, presso il centro di simulazioni climatiche della Nasa. Il risultato, scelto anche come foto astronomica del giorno dalla Nasa, è un’animazione di poco più di tre minuti – che però, per essere prodotta da un normale computer da tavolo, avrebbe richiesto circa un decennio.

I protagonisti, un buco nero da 200 milioni di masse solari e uno massiccio la metà, non sono scelti a caso: sono la coppia più adatta a mantenere vivi il più a lungo possibile – anche milioni di anni – i dischi di accrescimento luminosi che li circondano e attraverso i quali possiamo goderci la loro danza perfetta e tutta la fisica che essa mette in mostra. Anche i colori dei dischi non sono scelti a caso, ma riflettono la temperatura relativa del materiale orbitante: quanto più esso sarà caldo, tanto più la luce emessa sarà vicina all’estremità blu dello spettro, e la temperatura è tanto più elevata quanto maggiore è la forza gravitazionale esercitata dal buco nero centrale. E se state osservando i due buchi neri – per quanto sembri strano a prima vista – vi sarete accorti che è quello più piccolo ad apparire blu. La spiegazione, anche in questo caso, viene dalla gravità: siccome la forza gravitazionale quadruplica se dimezziamo il raggio mentre raddoppia solamente se raddoppiamo la massa, è proprio il buco nero più piccolo a generare gli effetti gravitazionali più forti. Per le masse simulate, comunque, entrambi i dischi di accrescimento emettono la maggior parte della loro luce nell’ultravioletto, e il disco blu raggiunge una temperatura solo leggermente superiore, esacerbata rispetto al rosso solo per rendere i due oggetti facilmente distinguibili nel video.

Ma cominciamo dall’inizio. I due buchi neri vengono inizialmente visualizzati con una prospettiva cosiddetta face-on, come se potessimo osservarli “dall’alto”. In questo modo i dischi di accrescimento appaiono perfettamente circolari e non si percepisce alcuna distorsione della luce perché, rispetto all’osservatore, non vi è mai sovrapposizione. Nonostante ciò, i due buchi neri si vedono e ci mostrano la loro vicinanza fisica (si veda l’immagine qui sopra, o il video a fondo articolo al minuto 1’18” circa) riproducendo l’immagine distorta del compagno vicino all’anello di luce più interno. In questo caso, nel riquadro in alto a sinistra dell’immagine è il buco nero più piccolo che mostra l’immagine riflessa del compagno rosso più massiccio. Per raggiungere la telecamera, il buco nero più piccolo deve piegare la luce del suo compagno rosso di 90 gradi: il disco di accrescimento di questa immagine secondaria appare come una linea, il che significa che vediamo contemporaneamente un’immagine frontale e una di taglio del buco nero rosso. La stessa cosa avviene, vicendevolmente, appena fuori dall’anello di luce del buco nero più grande.

Cominciando poi a spostarci verso il piano dell’orbita. Guardando i due oggetti quasi di taglio, si inizia a percepire la distorsione gravitazionale che altera i percorsi della luce proveniente da diverse parti dei dischi, producendo un’immagine deformata. Inoltre, i dischi di accrescimento appaiono notevolmente più luminosi su un lato: il rapido moto del gas vicino al buco nero modifica la luminosità del disco attraverso un fenomeno chiamato Doppler boosting – effetto predetto anch’esso dalla relatività di Einstein e che illumina il lato che ruota verso lo spettatore mentre attenua il lato che ruota via.

Arriviamo infine sul piano dell’orbita. I due buchi neri assumono un aspetto completamente diverso, una sorta di doppia gobba o di volto con un cappello a tesa larga. Da qui gli effetti di lente gravitazionale estrema dovuti al passaggio continuo della luce del buco nero retrostante attraverso lo spazio-tempo estremamente deformato dalla gravità del buco nero in primo piano esemplificano il messaggio più profondo della relatività generale: la gravità è una proprietà dello spazio-tempo, è una deformazione geometrica della trama cosmica nella quale ogni oggetto è immerso. La luce stessa si rende messaggera di questa deformazione, dovendo seguire percorsi modificati e distorti per attraversare il campo gravitazionale del buco nero in primo piano e giungere fino ai nostri occhi. Durante la sovrapposizione dei due oggetti, se guardiamo l’immagine più da vicino – nel video, poco dopo il minuto 2 – si possono trovare immagini multiple più piccole dei due dischi di accrescimento, ciascuna prodotta dalla luce che viene deviata avanti e indietro tra i due buchi neri.

Mentre i due buchi neri passano l’uno di fronte all’altro rompendo e distorcendo l’immagine del compagno in modo continuo, si può notare anche un’altra stranezza: la loro immagine è più grande quando essi si trovano più lontani dall’osservatore. Si tratta di un effetto ottico che porta il nome di aberrazione relativistica.

Questa danza, per quanto apparentemente equilibrata e incessante, non sarà infinita. I due buchi neri sono destinati, in un futuro piuttosto lontano dall’istante simulato, a fondersi e produrre – proprio per effetto della fusione – delle onde gravitazionali potenzialmente percepibili anche sulla Terra. Gli astronomi si aspettano che, in un futuro non troppo lontano, saranno in grado di rilevare le onde gravitazionali prodotte quando due buchi neri supermassicci in un sistema molto simile a quello raffigurato da Schnittman si intrecciano e si fondono.

Guarda l’animazione di Jeremy Schnittman sul canale YouTube della Nasa: