Nel mondo deforme di un buco nero

La Nasa ci stupisce ancora una volta con questa nuova visualizzazione animata di un buco nero. Un’animazione che illustra come la sua gravità sia in grado di distorcere ciò che stiamo guardando, deformando l’ambiente circostante il buco nero come se fosse visto attraverso uno specchio del luna park. La visualizzazione simula l’aspetto di un buco nero in cui la materia in caduta si è raccolta in una struttura sottile e calda chiamata disco di accrescimento. La gravità estrema del buco nero piega la luce emessa da diverse regioni del disco, producendo l’aspetto deformato che vediamo sotto.

Visto quasi di taglio, il turbolento disco di gas che ruota intorno a un buco nero ha un aspetto pazzesco, con una doppia gobba, sopra e sotto. Questo perché l’estrema gravità del buco nero altera i percorsi della luce provenienti da diverse parti del disco, producendo l’immagine deformata, ma ciò che vediamo dipende dal nostro angolo di vista. La massima distorsione si verifica quando si visualizza il sistema quasi lateralmente. Crediti: Goddard Space Flight Center della Nasa / Jeremy Schnittman

Nell’immagine sono evidenti nodi luminosi che si formano e si dissipano costantemente nel disco, mentre i campi magnetici si avvolgono e si attorcigliano attraverso il gas. Più vicino al buco nero, il gas orbita ad una velocità prossima a quella della luce, mentre le zone più esterne ruotano più lentamente. Questa differenza si estende per tutto il disco e separa i nodi luminosi, producendo corsie chiare e scure.

Questa infografica evidenzia e spiega vari aspetti della visualizzazione del buco nero (cliccare per ringrandire). Crediti: Goddard Space Flight Center della Nasa / Jeremy Schnittman, traduzione a cura di Media Inaf

Visto di lato, il disco appare più luminoso a sinistra di quanto non lo sia a destra. Questo perché il gas incandescente sul lato sinistro del disco si muove verso di noi così velocemente che gli effetti della relatività di Einstein inducono un aumento della sua luminosità; il contrario accade sul lato destro, dove il gas che si allontana diventa leggermente più debole. Questa asimmetria scompare quando vediamo il disco esattamente di fronte perché, da quella prospettiva, nessuno dei materiali si muove lungo la nostra linea di vista.

Più vicino al buco nero, la flessione gravitazionale della luce diventa così spinta che possiamo vedere la parte inferiore del disco come un luminoso anello di luce che apparentemente delinea il buco nero. Questo cosiddetto “anello fotonico” è composto i realtà da più anelli, che diventano progressivamente più deboli e più sottili, prodotti dalla luce che ha orbitato attorno al buco nero due, tre o anche più volte prima di riuscire a fuggire e raggiungere i nostri occhi. Poiché il buco nero modellato in questa visualizzazione è sferico, l’anello fotonico appare quasi circolare e identico da qualsiasi angolazione lo si guardi. All’interno dell’anello fotonico si trova l’ombra del buco nero, un’area approssimativamente doppia rispetto all’orizzonte degli eventi, il suo punto di non ritorno.

«Simulazioni e filmati come questi ci aiutano a visualizzare ciò che Einstein aveva compreso, affermando che la gravità deforma il tessuto dello spazio e del tempo», spiega Jeremy Schnittman, che ha prodotto queste splendide immagini utilizzando un software dedicato presso il Goddard Space Flight Center della Nasa. «Fino a poco tempo fa, queste visualizzazioni erano limitate alla nostra immaginazione e ai programmi per computer. Non avrei mai pensato che sarebbe stato possibile vedere un vero buco nero». Ma questo 2019 ci ha regalato l’immagine del secolo, quando il 10 aprile il team di Event Horizon Telescope ha rilasciato la prima immagine in assoluto dell’ombra di un buco nero, usando le osservazioni radio del cuore della galassia M87.

Così un buco nero mette in riga il proprio disco

Questa immagine mostra come la regione interna del disco di accrescimento (rosso) si allinei con il piano equatoriale del buco nero. Il disco esterno è inclinato in altra direzione, mentre il disco interno è orizzontale, segnalando l’allineamento di Bardeen-Petterson. Crediti: S. Tchekhovskoy/Un. Northwestern, Matthew Liska/Un. Amsterdam

Molto di ciò che gli astrofisici sanno sui buchi neri è stato imparato studiando i loro dischi di accrescimento. Senza quell’anello brillante – costituito da gas, polveri e altri detriti stellari – a turbinarvi attorno, non si sarebbe in grado neanche di individuarlo, un buco nero. Non a caso, la recentissima prima foto di un buco nero è in realtà la foto del suo disco di accrescimento, a una risoluzione mai raggiunta prima.

Ora, in uno studio pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, un gruppo di ricerca internazionale a guida olandese spiega come sia riuscito a ottenere la più dettagliata simulazione finora realizzata di un buco nero e del suo disco di accrescimento.

Grazie a questa simulazione, i ricercatori hanno potuto appurare, tra l’altro, che la parte più interna del disco di accrescimento si allinea con il piano equatoriale del proprio buco nero, anche se l’asse di rotazione del disco medesimo non è allineato con quello del buco nero.

Si tratta della conferma del cosiddetto effetto Bardeen-Petterson, proposto nel 1975 dal premio Nobel per la fisica John Bardeen e dall’astrofisico Jacobus Petterson ma mai verificato. Benché possano sembrare sottigliezze, ricostruire l’esatta dinamica dei dischi di accrescimento è la chiave per comprendere come si evolvono e come funzionano in generale i buchi neri.

«Questi dettagli attorno al buco nero possono sembrare piccola cosa, ma influenzano enormemente cosa succede nella galassia nel suo complesso», conferma Alexander Tchekhovskoy della Northwestern University, fra gli autori del nuovo studio. «Essi controllano quanto crescano i buchi neri e quanto velocemente ruotino e, di conseguenza, quale effetto abbiano sull’intera galassia in cui sono ospitati».

La simulazione mostra come la regione interna del disco di accrescimento si allinei con il piano equatoriale del buco nero. Crediti: S. Tchekhovskoy/Un. Northwestern, Matthew Liska/Un. Amsterdam

«Queste simulazioni non solo hanno risolto un problema vecchio di 40 anni, ma hanno dimostrato che, contrariamente a quanto si potesse pensare, è possibile simulare i dischi di accrescimento più luminosi in condizioni di relatività generale completa», commenta in conclusione Matthew Liska dell’Università di Amsterdam, coordinatore dello studio. «Questo spiana la strada per una nuova generazione di simulazioni, che spero possano risolvere i problemi ancora più importanti che ci pongono i dischi di accrescimento».

Per saperne di più:

Ecco “the Cow”, il primo muggito del buco nero

La cupola di un telescopio ottico con le rappresentazioni di una stella di neutroni (sx) e un buco nero in accrescimento (dx). Crediti: D. Maturana & Noao / Aura / Nsf; Nasa / Penn State University / Casey Reed; Nasa Goddard Space Flight Center

È probabilmente nato “senza camicia” il corpo celeste super-compatto (un buco nero di massa stellare o una stella di neutroni fortemente magnetizzata) partorito dell’anomala esplosione, molto più luminosa e rapida di una normale supernova, vista comparire lo scorso giugno nella galassia nana Cgcg 137-068 a 200 milioni di anni luce dalla Terra, nella direzione della costellazione di Ercole.

Sarebbe dunque la prima volta che viene osservata l’emissione associata alla nascita di una stella di neutroni o di un buco nero in accrescimento, normalmente oscurata dai densi strati di polveri e gas residui dal collasso gravitazionale di una stella massiccia a fine vita.

Questa la conclusione di uno studio, in via di pubblicazione su Astrophysical Journal, condotto da una vasta collaborazione internazionale guidata dall’italiana Raffaella Margutti della statunitense Northwestern University, a cui hanno partecipato anche ricercatrici e ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica.

«Sappiamo dalla teoria che buchi neri e stelle di neutroni si formano quando una stella massiccia muore, ma non li abbiamo mai visti subito dopo la loro nascita», commenta Margutti.

Tutto inizia il 17 giugno 2018, quando i telescopi gemelli Atlas alle Hawaii individuano una nuova luce in cielo, simile a una supernova ma dalle caratteristiche peculiari e inedite. A questo “oggetto transiente”, che accende immediatamente l’interesse di astrofisici di tutto il mondo, viene assegnata la sigla At2018cow, e quindi – inevitabilmente – denominato “the Cow”, ovvero “la Mucca”.

Immagine ripresa dal W.M. Keck Observatory in Maunakea, Hawaii (Usa) di come si presentava “the Cow” circa 80 giorni dopo l’esplosione iniziale. Crediti: R. Margutti / Northwestern University

«Pensavamo di trovarci di fronte a una supernova», spiega Margutti, «ma quello che andavamo osservando sfidava le nostre attuali conoscenze su come si comporta una stella al termine della propria vita».

In primo luogo, spiegano gli autori del nuovo studio, “la Mucca” era insolitamente brillante, da 10 a 100 volte più luminosa di una tipica supernova. Inoltre, è apparsa e scomparsa molto più velocemente di altre esplosioni stellari note, facendo raggiungere alle particelle di materia espulse velocità fino a 30mila chilometri al secondo, un decimo della velocità della luce. Infine, l’evento ha raggiunto il “picco” molto velocemente, emettendo in soli 16 giorni la maggior parte del suo potere energetico.

Visto l’estremo interesse, “la Mucca” è stata osservata in vari momenti da diversi telescopi, sia terrestri che spaziali, coprendo quasi tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma.

Grazie all’analisi spettroscopica eseguita con telescopi ottici, Margutti e il suo team hanno determinato la composizione chimica della “Mucca”, trovando chiari segni della presenza di idrogeno ed elio. Un fatto che ha portato a escludere come origine dell’esplosione la fusione di due oggetti compatti, sul genere della kilonova Gw170817 dell’estate 2017.

Un po’ di chiarezza in più è venuta dalle osservazioni in altre lunghezze d’onda eseguite subito dopo la comparsa dell’oggetto, in particolare con radiotelescopi terrestri e con vari telescopi spaziali, tra cui gli osservatori per raggi X NuStar della Nasa e Xmm-Newton dell’Esa e l’osservatorio per raggi gamma Integral dell’Esa.

Giulia Migliori. Crediti: Inaf / Stefano Parisini

«L’emissione X di 18cow è stata decisamente “movimentata”, con componenti in rapida evoluzione, ed è stato cruciale utilizzare osservatori con caratteristiche diverse (Xmm-Newton, Integral e NuStar) per studiarla», racconta a Media Inaf Giulia Migliori dell’Inaf di Bologna, tra gli autori del nuovo studio. «In base alle proprietà osservate, pensiamo che l’emissione X provenga direttamente dalla sorgente centrale che alimenta “the Cow”, che potrebbe essere un oggetto compatto (un buco nero o una stella di neutroni) appena formatosi».

Mentre una tipica esplosione dovuta al collasso di una stella massiccia a fine vita produce attorno a sé una densa nube di detriti, uno spesso mantello che blocca la visione agli astronomi su quello che succede al suo interno, “la Mucca” sembra essere al confronto quasi “nuda”.

Dai dati raccolti in circa tre mesi di osservazioni, il gruppo di ricerca ha infatti dedotto che l’evento all’origine della “Mucca” ha lasciato 10 volte meno materiale rispetto a una tipica esplosione stellare. Non solo: i detriti si sarebbero disposti in maniera asimmetrica, lasciando come delle “finestre aperte” proprio verso la visuale terrestre.

In sostanza, l’inusuale carenza di materiale residuo dall’esplosione stellare ha permesso agli astronomi, per la prima volta, di guardare direttamente il “motore centrale” dell’oggetto, un probabile buco nero o una stella di neutroni.

Rappresentazione artistica di un’esplosione cosmica con un “motore centrale”, come quello suggerito per ATt2018cow. Il buco nero al centro sta attraendo materiale che forma un disco in rapida rotazione che irradia abbondanti quantità di energia e origina getti super-veloci di materiale da suoi poli. I getti interagiscono con il materiale circostante l’esplosione. Crediti: Bill Saxton, Nrao/Aui/Nsf

L’eccesso di luminosità osservato per “la Mucca” deriverebbe quindi da un meccanismo ben noto, ovvero l’interazione dei detriti con il buco nero o la stella di neutroni verso cui vengono attratti con un moto vorticoso subito dopo la nascita del corpo compatto. Nel caso specifico, particolari condizioni ambientali, ancora da chiarire, hanno permesso alla radiazione di uscire dal guscio di detriti ed essere osservata.

«Questo ci dà un punto di vista inedito sui fenomeni di formazione ed evoluzione dei buchi neri», aggiunge Migliori, «soprattutto per persone che come me invece sono abituate a lavorare su oggetti che si sono formati da milioni di anni. Per chi lavora sui buchi neri tutti i giorni, questo è qualcosa di estremamente differente».

La natura esatta della “Mucca” è ancora in discussione tra gli scienziati e si attendono nuovi risultati da altri telescopi, mentre gli autori del nuovo studio cercano di cogliere gli ultimi flebili segnali dalla sorgente.

«Un’importante tessera del mosaico di osservazioni di At2018cow in tutte le bande dello spettro elettromagnetico è stata ottenuta con il satellite Integral, che a più di 16 anni dal lancio continua a funzionare a pieno regime  fornendo dati fondamentali nella banda gamma, anche grazie al continuo supporto dei ricercatori dell’Inaf» commenta Sandro Mereghetti, ricercatore dell’Inaf di Milano, anch’egli nel team che ha realizzato lo studio. «La campagna osservativa è ancora in corso e speriamo che le nuove osservazioni in raggi X contribuiscano a comprendere questo incredibile evento», conclude Migliori.

Per saperne di più:

  • Leggi l’anteprima dell’articolo in corso  di pubblicazione sulla rivista The Astrophysical Journal nell’articolo “An embedded X-ray source shines through the aspherical AT2018cow: revealing the inner workings of the most luminous fast-evolving optical transients”, di R. Margutti, B. D. Metzger, R. Chornock, I. Vurm, N. Roth, B. W. Grefenstette, V. Savchenko, R. Cartier, J. F. Steiner, G. Terreran, G. Migliori, D. Milisavljevic, K. D. Alexander, M. Bietenholz, P. K. Blanchard, E. Bozzo, D. Brethauer, I. V. Chilingarian, D. L. Coppejans, L. Ducci, C. Ferrigno, W. Fong, D. GÖtz, C. Guidorzi, A. Hajela, K. Hurley, E. Kuulkers, P. Laurent, S. Mereghetti, M. Nicholl, D. Patnaude, P. Ubertini, J. Banovetz, N. Bartel, E. Berger, E. R. Coughlin, T. Eftekhari, D. D. Frederiks, A. V. Kozlova, T. Laskar, D. S. Svinkin, M. R. Drout, A. Macfadyen e K. Paterson

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Ecco la precessione dei getti relativistici

Crediti: Northwestern University

Avete mai pensato al disco di accrescimento attorno a un buco nero super-massiccio come a un piatto di tagliolini in brodo? Un gruppo prevalentemente olandese di ricercatori lo ha fatto e, mediante una serie di simulazioni al super-computer, è riuscito a sondare uno dei fenomeni più misteriosi per l’astrofisica moderna: il comportamento dei getti sparati fuori dalle zone polari di buchi neri in accrescimento. Tali getti, che si estendono nello spazio per milioni di anni luce, sono detti relativistici, in quanto raggiungono velocità prossime a quelle della luce.

I risultati del nuovo studio, recentemente pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, sono stati ottenuti grazie a Blue Waters, uno dei più potenti calcolatori al mondo, basato su decine di migliaia di processori grafici (Gpu) e localizzato all’Università dell’Illinois, Usa.

Le simulazioni create con Blue Waters hanno dimostrato come il flusso dei getti cambi gradualmente di direzione nello spazio, con un movimento attorno all’asse di rotazione detto precessione, in funzione di come lo spazio-tempo viene trascinato in rotazione attorno al buco nero.

Simulazione di un buco nero in accrescimento. Crediti: Northwestern University / University of Amsterdam

I buchi neri in rapida rotazione non solo fagocitano materia ma emettono anche energia sotto forma di getti relativistici. In maniera analoga al gorgo che si forma nello scarico di un lavandino, il gas e i campi magnetici che alimentano un buco nero super-massiccio “spiraleggiano” a formare un cosiddetto disco di accrescimento, che può essere descritto come un groviglio di linee di campo magnetico in un brodo di gas caldo.

Quando il buco nero tracanna questa “zuppa” astrofisica, si sorbisce tutto il brodo ma, per restare in metafora, lascia gli “spaghetti” magnetici a penzoloni fuori dalla bocca. Questo rende il buco nero una sorta di fionda, da cui l’energia, sotto forma di getti relativistici, viene sparata nello spazio dal fascio di “elastici” magnetici intrecciati.

La quasi totalità delle precedenti simulazioni, commentano gli autori della ricerca, aveva considerato l’asse di rotazione dei dischi di accrescimento allineato con quello del relativo buco nero. In realtà, si ritiene che i buchi neri centrali super-massicci della maggior parte delle galassie possiedano dischi inclinati.

Il nuovo studio ha confermato che, se è inclinato, il disco di accrescimento modifica la direzione del proprio asse di rotazione rispetto a quello del buco nero con un movimento di precessione, come farebbe una trottola. Per la prima volta, le simulazioni hanno poi mostrato che tali dischi inclinati inducono a loro volta la creazione di getti con un movimento di precessione, che sembrano “scodinzolare” nelle animazioni.

Il super-computer Blue Waters. Crediti: Università dell’Illinois

Un altro motivo importante per cui la precessione dei getti relativistici non è stata precedentemente scoperta, commentano gli autori del nuovo studio, è che le simulazioni 3D della regione che circonda un buco nero in rapida rotazione richiedono un’enorme quantità di potenza computazionale. Grazie a Blue Waters, i ricercatori sono riusciti a ottenere simulazioni con la più alta risoluzione mai raggiunta per questo tipo di analisi, catturando in maniera accurata i dettagli fini del movimento turbolento del disco di accrescimento.

Queste simulazioni offrono un’importante chiave per dare un senso alle osservazioni effettuate con i telescopi e arrivare a svelare fino in fondo la natura dei buchi neri rotanti. Fra le altre cose, la precessione dei getti potrebbe spiegare le fluttuazioni nell’intensità della luce in raggi X proveniente dall’intorno dei buchi neri, chiamate oscillazioni quasi-periodiche, che si verificherebbero analogamente al modo in cui il raggio di un faro rotante aumenta di intensità quando è puntato direttamente verso un osservatore. Le oscillazioni quasi periodiche sono state scoperte nel 1985 da Michiel van der Klis dell’Università di Amsterdam, che è anche fra gli autori del nuovo articolo.

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