La forma del disco di accrescimento attorno a un buco nero può essere determinata dalla polarizzazione della sua emissione di raggi X.

Un team di astronomi dell'Istituto Astronomico Sternberg dell'Università Statale di Mosca, insieme ai colleghi italiani, ha sviluppato un metodo originale per determinare la forma dei dischi di accrescimento attorno ai buchi neri nelle binarie a raggi X e nei nuclei galattici attivi, analizzando il grado di polarizzazione della loro emissione di raggi X. Si è scoperto che l'emissione di raggi X dai dischi di accrescimento è sensibile alla forma del disco e dovrebbe essere polarizzata linearmente se il disco ha una sottile forma a "pancake". Queste previsioni teoriche sono state confermate dalle osservazioni: il metodo è stato testato su diverse binarie a raggi X con buchi neri, nonché su una galassia Seyfert I.

Oggetti cosmici compatti come i buchi neri (BH) rimangono misteriosi ed essenzialmente ipotetici, nonostante la scoperta di numerosi "candidati buco nero" sui quali gli astrofisici hanno pochi dubbi (si veda, ad esempio, l'articolo " Il buco nero della galassia M87: un ritratto interiore ", Elements, 14 aprile 2019). La loro ricerca solleva numerose domande che rimangono senza risposta. Ad esempio, non esiste una chiara comprensione di ciò che accade nelle immediate vicinanze dei BH. In particolare, fino a poco tempo fa, gli scienziati potevano solo formulare ipotesi teoriche sulla forma dei dischi di materia che cadono nei BH (si veda il problema "Accrescimento del disco "). Decenni fa sono state proposte varie teorie sulla struttura dei dischi di accrescimento , ma mancavano ancora dati sperimentali che permettessero di determinare quale descrivesse meglio la realtà. Questa situazione è cambiata dopo il lancio del telescopio spaziale Imaging X-ray Polarimetry Explorer ( IXPE ), che ha aiutato gli scienziati a ottenere dati che potrebbero rivoluzionare i libri di testo di astrofisica.

Esistono tre principali possibili forme per un disco di accrescimento: un "cilindro", una "sfera" e una "pancake" sottile e piatta (Fig. 2). I primi calcoli degli astrofisici sovietici negli anni '70 suggerivano una forma piatta, ma all'epoca era impossibile verificare questa ipotesi: i telescopi e i metodi di analisi dei dati avevano una capacità limitata di penetrare così in profondità nelle vicinanze dei buchi neri.

Le osservazioni dei buchi neri condotte con l'IXPE hanno confermato ciò che gli scienziati avevano precedentemente solo sospettato: l'emissione di raggi X dai dischi di accrescimento è polarizzata . Inoltre, la loro polarizzazione è lineare e dipende dallo spessore ottico del disco, nonché dal suo orientamento spaziale. Quest'ultimo era stato previsto dai fisici sovietici R. Sunyaev e L. Titarchuk già nel 1985 sulla base di calcoli teorici in stretta conformità con la teoria relativistica del trasferimento radiativo (R. Sunyaev, L. Titarchuk, 1985. Comptonizzazione della radiazione a bassa frequenza nei dischi di accrescimento: distribuzione angolare e polarizzazione della radiazione dura ).

Ora, gli scienziati della MSU hanno verificato la relazione precedentemente proposta tra il grado di polarizzazione, lo spessore ottico e l'angolo tra il piano del disco e la direzione dell'osservatore, utilizzando un'ampia gamma di misurazioni polarimetriche e osservazioni spettrali sincrone condotte dai telescopi spaziali NICER , NuSTAR e Swift . È importante sottolineare che la conferma della relazione tra polarizzazione, spessore del disco e il suo orientamento conferma immediatamente la forma del disco di accrescimento: è "piatto"! Ma andiamo con ordine.

Nel 1973, N. Shakura e R. Sunyaev avanzarono un'idea pionieristica su come si forma l'emissione di raggi X nei sistemi binari costituiti da una stella normale e un oggetto compatto (ad esempio, un buco nero, Fig. 3). Questa idea è ora generalmente accettata dalla comunità astronomica globale. L'essenza risiede nel rilascio di quanti di raggi X durante la formazione di un disco di accrescimento attorno al buco nero, tenendo conto della viscosità della materia che fluisce dalla stella donatrice verso il buco nero (N. Shakura, R. Sunyaev, 1973. Black holes in binary systems. Observational appearance ). Il disco di accrescimento è un gigantesco "vortice" o "ciambella" di gas caldo e polvere cosmica che si forma quando la materia della stella viene attratta dalla colossale gravità del buco nero. Questa materia non cade direttamente nel buco nero, ma gli turbina attorno, accelerando a velocità enormi e riscaldandosi fino a milioni di gradi. È la principale fonte di informazioni sui buchi neri e gli astronomi possono utilizzare la sua luce intensa per studiarne le proprietà.

Il primo a concludere che la polarizzazione della radiazione potesse essere osservata nei sistemi binari fu Chandrasekhar nel 1946 (S. Chandrasekhar, 1946. On the Radiative Equilibrium of a Stellar Atmosphere ). Egli dimostrò che in un'atmosfera di diffusione elettronica piano-parallela, il trasferimento radiativo porta alla sua polarizzazione. Tuttavia, la soluzione di Chandrasekhar era pensata per la diffusione pura in un'atmosfera semi-infinita e non teneva ancora conto della geometria del disco e della diffusione della radiazione con l'acquisizione di energia fotonica (ovvero la Comptonizzazione). R. Sunyaev e L. Titarchuk (nel suddetto articolo del 1985) furono i primi a calcolare la distribuzione angolare e spaziale della radiazione diffusa (su un tempo maggiore del tempo medio) per qualsiasi profondità ottica.

La polarizzazione della radiazione dipende dalla temperatura del disco di accrescimento e dal grado di ionizzazione del suo plasma. Inoltre, lo stato di ionizzazione dipende anche dalla densità. Infatti, un disco di accrescimento classico emette una radiazione caratteristica di un corpo nero perfetto (N. Shakura, R. Sunyaev, 1973. Black holes in binary systems. Observational appearance ). Questa radiazione viene ripetutamente diffusa nella nube di Compton calda, e solo questa radiazione viene diffusa a energie di 2-8 keV (questo è esattamente l'intervallo in cui IXPE misura la polarizzazione). Cioè, è questa radiazione che subisce la Comptonizzazione per riflessione dalla superficie piana del disco, ed è sensibile ai parametri fisici del disco (Fig. 3).

Cosa succede all'interno del disco? È possibile la polarizzazione della radiazione X? All'interno del disco, tutta la radiazione è in equilibrio termico e non viene affatto diffusa, ma se viene emesso un fotone di corpo nero, viene immediatamente assorbito (vedi G. Rybicki, A. Lightman, 1979. Radiative Processes in Astrophysics ). Ma nella nube di Compton calda, i fotoni di corpo nero vengono effettivamente diffusi, guadagnando energia.

Come accennato all'inizio di questo testo, la forma del disco di accrescimento è stata a lungo oggetto di dibattito tra gli astrofisici. Secondo varie fonti, può essere sferoidale, piatto o lenticolare (convesso o concavo). Ciò è dovuto in parte alle osservazioni ottiche della polarizzazione della radiazione X proveniente da galassie in cui i dischi di accrescimento si formano attorno a buchi neri supermassicci. Tuttavia, queste osservazioni non ci hanno permesso di comprendere dove si verifichi effettivamente la polarizzazione della radiazione X (nel rigonfiamento , nel disco o in una parte del disco) o la forma del "polarizzatore" principale. Si è scoperto che le parti esterne del disco, in un certo senso, hanno una vita propria e non partecipano attivamente alla polarizzazione.

È interessante notare che i modelli precedenti, che utilizzavano un'approssimazione piuttosto grossolana, trattavano il disco come un cilindro con bordi superiore e inferiore piatti (un disco "piatto"). Questo perché la materia rotante che cade su un oggetto centrale (ad esempio, un buco nero) forma un disco, allungato nel piano di rotazione, sotto l'influenza della forza centripeta e delle forze mareali (questo problema è discusso in dettaglio nel problema dell'Universo "piatto" ).

Come dimostrato da R. Sunyaev e L. Titarchuk (nello stesso articolo del 1985), la polarizzazione dell'emissione di raggi X da un sistema binario avviene solo nella parte interna del disco (nella nube di Compton, CC), dove avviene l'interazione della radiazione "fredda" con gli elettroni caldi. Inoltre, il grado di polarizzazione dipende dallo stato spettrale del buco nero: è maggiore in uno stato di alta luminosità con uno spettro morbido e minore in uno stato di bassa luminosità con uno spettro duro (Fig. 4; gli stati spettrali sono discussi in dettaglio nell'articolo Spectral Signatures Distinguishing X-ray Binary Systems with Black Holes and Neutron Stars ).

Il confronto tra calcoli teorici e dati osservativi per un certo numero di sistemi binari a raggi X e nuclei galattici attivi ha confermato la correttezza dell'approccio descritto e ha anche portato certezza alla diversità dei modelli di forma del disco proposti in precedenza, lasciando solo il "disco piatto".

In effetti, un semplice confronto tra il grado di polarizzazione P misurato con IXPE, tracciato lungo l'asse verticale (Fig. 5, a sinistra), e l'angolo di inclinazione del disco i (più precisamente, cos i), tracciato lungo l'asse orizzontale (questo angolo è noto dalle osservazioni), per vari sistemi binari a raggi X con corpi celesti, ha mostrato che l'intersezione di queste quantità giace sul grafico (curve verde scuro) in accordo con la teoria per il caso di dischi piatti . E non ci sono intersezioni al di fuori delle curve calcolate teoricamente. Inoltre, ciascuna delle curve, accompagnata dal valore di profondità ottica, concorda ancora una volta esattamente con la previsione teorica per il caso di un disco piatto. Ciò significa che tutti questi dischi sono piatti!

I risultati ottenuti, sebbene previsti 40 anni fa e poi "messi da parte" a causa dell'impossibilità di verificare osservativamente l'effetto di polarizzazione, si sono rivelati inaspettati. Dovranno essere presi in considerazione, il che porterà senza dubbio a una revisione di molti modelli del disco di accrescimento a causa di possibili discrepanze con i dati osservativi. Grazie ai risultati descritti, gli astrofisici possono ora verificare il grado di polarizzazione nel calcolo dei parametri dei modelli di emissione di raggi X. IXPE ha svelato i segreti della polarizzazione e le caratteristiche non solo dei buchi neri di massa stellare, ma anche dei buchi neri supermassicci, la cui radiazione è stata anch'essa polarizzata linearmente durante la Comptonizzazione nel plasma caldo di un disco di accrescimento piatto. È stata confermata la dipendenza del grado di polarizzazione dei buchi neri supermassicci dall'orientamento spaziale del disco.

In sintesi, la teoria di lunga data ha acquisito una solida base sperimentale e il lavoro in discussione non solo conferma vecchie congetture, ma apre anche una nuova strada per studiare gli oggetti più estremi dell'Universo.

Fonte: Lev Titarchuk, Paolo Soffitta, Elena Seifina, Enrico Costa, Fabio Muleri, Romana Mikusincova. Previsione della polarizzazione lineare dei raggi X in sistemi binari di buchi neri e nuclei galattici attivi e relative misurazioni da parte di IXPE // Astronomia e astrofisica . 2025. DOI: 10.1051/0004-6361/202554834.

Elena Seyfina