Supercomputer, campi magnetici e buchi neri: una miscela esplosiva!

Fin dai tempi antichi l'osservazione della volta celeste ha non solo profondamente affascinato il genere umano, ma anche contribuito in maniera decisiva al suo sviluppo culturale e tecnologico. E se i primi osservatori del cielo potevano affidarsi solo ai propri occhi per scrutare la volta celeste, dall’invenzione del telescopio in poi, e in particolare negli ultimi decenni, abbiamo assistito allo sviluppo di tecniche sempre più sofisticate per osservare quello che accade nell’Universo e comprendere il suo funzionamento.

Così abbiamo man mano capito che quello che per l’umanità del passato erano piccoli puntini luminosi sono di fatto sorgenti di luce dalle dimensioni enormi che si trovano a grandissima distanza da noi, capaci a volte di sprigionare forze ed energie non riproducibili sulla Terra. Per esempio, oggi sappiamo che oltre a sorgenti “persistenti” come stelle e galassie, l’Universo produce costantemente potenti sorgenti “transienti”, come ad esempio le esplosioni di supernove (visibili anche a occhio nudo se avvengono nella nostra galassia) e i lampi di raggi gamma (gamma-ray bursts), tra i fenomeni più violenti ed energetici che possiamo osservare nel nostro Universo. 

L'origine dei raggi gamma è ancora incerta: può trattarsi della fusione di due stelle di neutroni, ovvero stelle estremamente dense che racchiudono nel raggio di una decina di km una massa di poco superiore a quella del Sole, oppure del collasso gravitazionale di una stella massiccia, che “implode” sotto la pressione della sua enorme massa, di oltre 8 volte superiore a quella della nostra stella. Entrambi i fenomeni sono legati alla formazione di oggetti compatti come i buchi neri e alla forte emissione di radiazione elettromagnetica, onde gravitazionali e particelle energetiche. 

La loro osservazione avviene sia attraverso strumenti lanciati nello spazio che telescopi installati a Terra, ed è uno dei modi più efficaci per investigare e comprendere il funzionamento e le origini dell'intero Universo.

Interpretare queste osservazioni, però, è tutt’altro che semplice. I forti campi magnetici che permeano l'ambiente circostante a buchi neri e stelle di neutroni giocano un ruolo fondamentale nel determinare come si comportano i gas magnetizzati (propriamente detti plasmi astrofisici) che vi orbitano attorno. Sono inoltre cruciali per spiegare la formazione dei potenti getti di plasma relativistici che possiamo osservare anche a distanze di miliardi di anni luce.

Per poter produrre stime attendibili sulla dinamica degli oggetti compatti è dunque necessario sviluppare modelli matematici e numerici che siano in grado di comprendere la complessa evoluzione dei campi magnetici e riprodurre il comportamento globale dei plasmi astrofisici, che non potrebbero né essere riprodotti in laboratorio né essere compresi unicamente attraverso calcoli più approssimati.

Ciò significa dover tenere in considerazione simultaneamente un enorme intervallo di scale spaziali e temporali, oltre che includere gli effetti che l’enorme forza di gravità ha sui plasmi intorno ai buchi neri. Tutto questo richiede immense risorse computazionali e le simulazioni numeriche che descrivono questi processi necessitano perciò dei cosiddetti “supercomputer”. Queste macchine di calcolo, costituite da migliaia processori, rendono possibile in poche settimane la realizzazione di modelli che, altrimenti, richiederebbero anche svariati anni per essere realizzati.

Un esempio di strumento dedicato alla produzione di simulazioni di plasmi astrofisici è il codice PLUTO, sviluppato presso il Dipartimento di fisica di UniTo e utilizzato da migliaia di ricercatori e ricercatrici in tutto il mondo, ma che al momento non permette di studiare la dinamica dei plasmi astrofisici in prossimità di oggetti compatti come i buchi neri.

Il mio progetto GR-PLUTO, vincitore di un finanziamento Marie Skłodowska-Curie, coinvolge il Dipartimento di Fisica di UniTo in collaborazione con il gruppo TEONGRAV dell’INFN e intende andare oltre gli attuali limiti di PLUTO e di codici simili utilizzati in astrofisica. L’obiettivo principale è produrre simulazioni numeriche d'avanguardia che descrivano con un'accuratezza senza precedenti la dissipazione del campo magnetico attorno a un buco nero e gli effetti conseguenti sull'accelerazione di particelle.

Questo è possibile grazie a un’estensione dell’attuale codice PLUTO, che integrerà gli effetti della relatività generale a nuovi algoritmi ad alta precisione. Inoltre, sfruttando la potenza di calcolo fornita dalle GPU (Graphics Processing Unit, tipicamente usate nell’ambito del gaming per processare grandi moli di dati grafici in tempi ridotti) il nuovo codice potrà produrre risultati scientifici in tempi molto inferiori. Questo miglioramento ridurrà considerevolmente il “costo computazionale” di una generica simulazione (ovvero, la potenza di calcolo necessaria per completarla), permettendo così di produrre modelli più estesi e precisi. 

I modelli che ne conseguiranno descriveranno dunque la dinamica dei campi magnetici nel disco d’accrescimento circostante il buco nero con un grado di realismo inedito, facendo luce sulle proprietà dell’accrescimento di materia sui buchi neri e l’accelerazione di particelle mediata dall’azione dei campi magnetici stessi.

Dai dati di queste nuove simulazioni capiremo meglio come il plasma fortemente magnetizzato trasferisca la sua energia magnetica per la produzione di getti relativistici lanciati lungo l’asse di rotazione del buco nero, un aspetto cruciale per comprendere il meccanismo di funzionamento delle sorgenti astronomiche di alte energie.