I buchi neri potrebbero fungere da supercollisori cosmici

Redazione

Lug 22, 2025 - 22:00

I buchi neri potrebbero fungere da supercollisori cosmici

Quando si avvicinano all’orizzonte degli eventi di un buco nero, le particelle di gas in accrescimento possono assumere traiettorie orbitali opposte, notevolmente simili ai percorsi prodotti negli acceleratori di particelle artificiali.

Quando si avvicinano all’orizzonte degli eventi di un buco nero, le particelle di gas in accrescimento possono assumere traiettorie orbitali opposte, notevolmente simili ai percorsi prodotti negli acceleratori di particelle artificiali.

Utilizzando nuovi modelli avanzati, Andrew Mummery dell’Università di Oxford, insieme a Joseph Silk dell’Università della Sorbona, ha mostrato come tali particelle possano scontrarsi a energie colossali, con prodotti di collisione rilevabili che potrebbero offrire nuove preziose intuizioni per la fisica delle particelle.

All’interno del disco di accrescimento di un buco nero, le particelle di gas viaggiano in orbite circolari che si restringono gradualmente sotto la sua immensa gravità.

Una volta che un’orbita si contrae al di sotto di un raggio critico, diventa instabile e le particelle che trasporta precipitano improvvisamente verso il buco nero.

“Molto tempo fa, Roger Penrose ha dimostrato che queste particelle potevano estrarre energia dallo spin di buchi neri massicci nella regione in cui decadono”, spiega Silk.

“Questo accade nell’ergosfera, la regione appena fuori dall’orizzonte degli eventi in cui i detriti possono ottenere energia dagli intensi campi gravitazionali e rotazionali del buco nero”.

Nella teoria descritta da Penrose, una particella che si avvicina a un buco nero si divide in due frammenti, probabilmente attraverso una collisione o un decadimento spontaneo.

Dopo la scissione, un frammento cade nell’orizzonte degli eventi, mentre l’altro guadagna abbastanza energia dalla rotazione del buco nero per sfuggire alla sua gravità, uscendo dall’ergosfera con più energia della particella originale.

All’interno dell’ergosfera, Bañados, Silk e West hanno considerato come queste particelle ora altamente energetiche potessero scontrarsi con quelle originate da orbite prograde, viaggiando in direzioni opposte.

Se ciò accadesse, la velocità relativa tra i due sarebbe enorme, impartendo energie relativistiche estreme ai loro prodotti di collisione.

Il trio ha proposto che alcuni di questi prodotti potrebbero sfuggire all’ergosfera con più energia di entrambe le particelle originali.

Nel loro ultimo studio, riportato su Physical Review Letters, Silk e Mummery hanno esplorato questa possibilità in modo più dettagliato.

Hanno usato modelli recentemente sviluppati da Mummery per simulare il flusso di particelle che si accrescono sui buchi neri supermassicci in rapida rotazione.

“Abbiamo dimostrato che il gas in caduta svilupperebbe un modello di vortici turbolenti rotanti e controrotanti mentre si immergeva nell’ergosfera del buco nero”, spiega Silk.

La direzione di rotazione di ciascun vortice dipende dal fatto che le particelle abbiano avuto origine da orbite prograde o retrograde all’interno del disco di accrescimento.

Quando le particelle che viaggiano in direzioni opposte si scontrano nell’ergosfera, i loro percorsi circolari assomigliano alle traiettorie guidate magneticamente dei protoni e degli ioni pesanti nei collisori di particelle artificiali, come il Large Hadron Collider del CERN, solo su una scala molto più grande.

“Abbiamo scoperto che le collisioni si sono verificate a energie centinaia di volte superiori a quelle raggiunte in qualsiasi collisore esistente, e si sarebbero avvicinate o addirittura superate le energie previste per il Future Circular Collider proposto”, osserva Silk.

A tali energie colossali, Mummery e Silk prevedono che i prodotti di collisione potrebbero includere raggi gamma e neutrini ad altissima energia, che potrebbero essere rilevabili dai buchi neri supermassicci vicini, come Sagittarius A* al centro della nostra galassia.

Di conseguenza, il processo potrebbe offrire un approccio completamente nuovo alle osservazioni nella fisica delle particelle.

«Le nostre firme previste completerebbero quelle della prossima generazione di supercollisori di particelle giganti pianificata dal CERN e in Cina, contribuendo a fornire prove di una nuova fisica delle particelle oltre il Modello Standard», afferma Silk.

In particolare, il duo suggerisce che queste firme potrebbero portare a una sonda altamente sensibile della materia oscura, offrendo potenzialmente test più robusti per candidati come particelle massicce debolmente interagenti.

Immagine: Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins University

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