I dischi di accrescimento sono strumenti cruciali per il nostro studio dei buchi neri. Quasi tutto quello che abbiamo imparato sui buchi neri lo abbiamo imparato grazie ai dischi di accrescimento. Perché? Una cosa che ha cambiato l’astronomia da terra è stata quando la gente ha capito che c’era più da vedere nell’universo di quello che i telescopi ottici avevano fino ad allora permesso loro di vedere. Hanno scoperto che la luce visibile era solo una piccola frazione dell’intero spettro elettromagnetico e che le informazioni viaggiano attraverso l’universo su molte lunghezze d’onda da radio, attraverso microonde, infrarossi, ottico, ultravioletto, raggi X, fino ai raggi gamma. Da allora, tutto ciò che sappiamo dell’universo lo abbiamo imparato dalla radiazione elettromagnetica. I buchi neri, tuttavia, non producono alcuna radiazione e questo li renderebbe impossibili da studiare se non avessero dischi di accrescimento intorno a loro. Quei dischi sono ciò che effettivamente osserviamo e da ciò che deduciamo le proprietà dei loro oggetti gravitanti centrali.

Accrezione e dischi di accrezione

L’accrezione è un processo di crescita di un oggetto massiccio attraendo gravitazionalmente e raccogliendo materiale aggiuntivo. Tipicamente, questo avviene attraverso una struttura a disco di materiale diffuso o gas che è in moto orbitale intorno all’oggetto centrale di accrescimento. I dischi di accrescimento sono caratteristiche onnipresenti nell’universo e si possono trovare intorno a stelle più piccole o resti stellari, in stelle binarie vicine, nei centri delle galassie a spirale, nei quasar, si formano anche nei gamma-ray burst.

L’accrescimento può avere molte forme. Può essere sferica o planare. Può essere persistente o episodica. Lo scenario usuale per l’accrescimento è che il materiale scorre da un oggetto celeste ad un altro. Allora esiste una direzione preferita data dal piano orbitale dei due corpi. Il flusso mantiene anche quel piano, ma non si estende direttamente da un oggetto all’altro poiché ha un certo momento angolare dal moto orbitale dei due. Viene spinto un po’ in disparte dalla forza di Corriolis e forma un disco attorno all’oggetto bersaglio.

In questo modo il materiale si accumula in un denso disco di accrescimento rotante che orbita attorno a un buco nero, una stella o un altro oggetto gravitante. L’attrito tra gli strati adiacenti fa sì che il gas nel disco si riscaldi mentre la sua energia potenziale viene lentamente dissipata in calore. Il gas perde anche momento angolare che gli permette di avvicinarsi all’oggetto centrale e di orbitare più velocemente. Il movimento più veloce si traduce in un maggiore attrito e quando il gas diventa molto caldo irradia energia. Dipende dalla massa dell’oggetto centrale la temperatura che il disco può raggiungere, più è massiccio più bassa è la temperatura del disco. I dischi intorno ai buchi neri di massa stellare hanno temperature intorno ai milioni di Kelvin e irradiano nei raggi X, i dischi intorno ai buchi neri supermassicci hanno temperature intorno alle migliaia di Kelvin e irradiano nella luce ottica o ultravioletta.

Come immaginare un disco di accrescimento

Possiamo immaginare un disco di accrescimento come un buon vecchio disco per grammofono. Sorprendentemente ha molte caratteristiche di un disco di accrescimento. Quando iniziamo a suonare il disco, posizioniamo la puntina sul bordo esterno del disco. Questo è anche il punto in cui la materia entra nel disco di accrescimento – alla sua periferia. La puntina segue poi un solco a spirale molto stretto mentre il piatto di vinile scorre sotto e la musica viene suonata. Puoi vedere l’ago andare alla deriva molto lentamente verso il centro del piatto mentre gira intorno al piatto molte volte. Lo stesso vale per il disco di accrescimento. Una particella di materia che è entrata nel disco deve perdere il suo momento angolare. Mentre lo fa scambiandolo con altre particelle intorno, continua a girare molte molte volte lungo un’orbita kepleriana come un pianeta intorno al Sole.

Il disco del grammofono può suonare per 45 minuti, la materia impiega settimane o anni (a seconda delle dimensioni del disco) per andare alla deriva dall’esterno al suo bordo interno. Una volta che il disco è finito e la puntina raggiunge la fine della traccia, il solco a spirale si srotola rapidamente, il che pone il braccio in posizione di arresto. Nei dischi di accrescimento dei buchi neri, accade una cosa simile. Sottolineiamo che si tratta di dischi di accrescimento intorno ai buchi neri, perché questo effetto è relativistico e si manifesta solo in un campo gravitazionale sufficientemente forte intorno a oggetti compatti come i buchi neri o forse le stelle di neutroni. Quello che succede è che ad un certo raggio, già abbastanza vicino al buco nero centrale, le particelle di materia non possono più orbitare lungo traiettorie circolari kepleriane. Tali traiettorie cessano di essere stabili a causa degli effetti della relatività generale e da quel momento in poi, la particella si trova su una spirale aperta in caduta libera che la condurrà in poche orbite fino all’orizzonte degli eventi a velocità prossima a quella della luce, dove terminerà il suo lungo cammino.

L’esistenza di quella caratteristica speciale nel disco dove non esistono traiettorie kepleriane stabili risulta essere di un significato molto elevato. Poiché la materia può orbitare tranquillamente nel disco ovunque al di fuori di questo luogo speciale ma non all’interno, significa che il disco risulta avere un ‘buco’ in sé. La dimensione di questo buco dipende solo dalle proprietà del buco nero centrale (la sua massa e la sua rotazione). Quindi, se riuscissimo a misurare la dimensione del buco, potremmo dedurre le proprietà del buco nero stesso. Che emozione! E in effetti, gli astronomi hanno tirato fuori una manciata di idee su come fare esattamente questo.