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.

Quel disco che non t’aspetti attorno al buco nero

Rappresentazione artistica del tenue disco attorno al buco nero centrale della galassia Ngc 3147. Crediti: Esa/Hubble, M. Kornmesser

Un tenue disco di materia è stato individuato dove non avrebbe dovuto esserci, ovvero attorno al buco nero supermassiccio nel centro della poco luminosa galassia Ngc 3147, distante 130 milioni di anni luce da noi. A scoprirlo è stato un team internazionale di ricercatori guidato da Stefano Bianchi, dell’Università degli Studi Roma Tre e a cui hanno partecipato anche colleghe e colleghi dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) e dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), grazie alle riprese del telescopio spaziale Hubble di Nasa ed Esa. Il lavoro che descrive la scoperta viene pubblicato oggi sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

La scoperta di un disco di materia attorno al buco nero centrale di una galassia a bassa luminosità come Ngc 3147 ha sorpreso gli astronomi. I buchi neri in certi tipi di galassie come Ngc 3147 sono infatti considerati “affamati”, in quanto attorno a loro non vi è sufficiente materiale catturato gravitazionalmente che possano ingurgitare e grazie al quale sono in grado di emettere enormi quantità di energia, sotto forma di getti e radiazione elettromagnetica, come la luce, ma anche più energetica, fino ai raggi X e gamma. La tenue struttura individuata nel cuore della galassia Ngc 3147, che può essere considerata a tutti gli effetti una copia sbiadita dei luminosi dischi attorno ai buchi neri centrali delle galassie attive, è una novità assoluta per chi studia questi oggetti celesti estremi.

«Questo è il primo, affascinante sguardo che abbiamo ottenuto di un disco così debole, tanto vicino al buco nero che le velocità della materia che lo compone e l’eccezionale forza di attrazione gravitazionale del buco nero che orbita influenzano notevolmente il modo in cui vediamo la luce emessa da questo sistema finora unico nel suo genere», dice Bianchi, che è anche ricercatore associato all’Inaf.

Osservare e misurare gli effetti estremi legati all’interazione tra materia, radiazione elettromagnetica e gravità nel cuore di Ngc 3147 è di estremo interesse per testare le teorie della relatività di Albert Einstein, come conferma Marco Chiaberge, in forza all’Stsci e alla Johns Hopkins University, anche lui nel team che ha realizzato la scoperta: «Non avevamo mai visto gli effetti della Relatività generale e speciale sulla luce visibile con un’accuratezza simile».

La galassia a spirale Ngc 3147, distante 130 milioni di anni luce da noi, in tutto il suo splendore. Crediti: Esa/Hubble & Nasa, A. Riess et al.

I dati raccolti dallo strumento Stis (Space Telescope Imaging Spectrograph) di Hubble hanno permesso di raccogliere preziose informazioni sulla velocità con cui ruota la materia del disco attorno al buco nero, pari a oltre il 10 per cento di quella della luce. Con questi valori così estremi, il gas sembra risultare più brillante mentre si sposta verso la Terra e al contrario perde luminosità mentre si allontana da noi. Questo effetto è noto come Doppler boosting o relativistic beaming. Le osservazioni di Hubble mostrano inoltre che la materia del disco è così profondamente dominata dalla forza di gravità del buco nero, la cui massa stimata è di 250 milioni di volte quella del Sole, che anche la luce prodotta dal gas che lo compone fa fatica a sfuggirgli, e ci arriva con lunghezze d’onda grandi e ci appare più arrossata. «Grazie agli effetti di distorsione della luce proveniente dal disco di gas siamo riusciti a misurare la sua distanza dal buco nero, che corrisponde a 30 miliardi di km, pari a circa 6 volte la distanza tra il Sole e Nettuno», aggiunge Andrea Marinucci, ricercatore dell’Asi, che ha partecipato allo studio.

Il team ha deciso di studiare in dettaglio il cuore della galassia Ngc 3147 proprio per verificare gli attuali modelli teorici che descrivono le proprietà delle galassie attive con bassa luminosità, ovvero quelle che ospitano nel loro centro buchi neri di grande massa ma “affamati”. Questi modelli suggeriscono che i dischi di materiale dovrebbero formarsi quando grandi quantità di gas vengono catturate dalla formidabile attrazione gravitazionale prodotta da un buco nero supermassiccio, emettendo così una enorme quantità di luce, come un potentissimo faro: quello che gli astronomi chiamano quasar.

«Il tipo di disco che vediamo è un quasar ridimensionato che non ci aspettavamo potesse esistere», sottolinea Alessandro Capetti dell’Inaf a Torino, anch’egli nel team di Bianchi. «È lo stesso tipo di disco che vediamo negli oggetti che sono 1000 o anche 100.000 volte più luminosi. È quindi evidente che le previsioni degli attuali modelli per galassie attive molto deboli in questo caso falliscono».

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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».

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Netturno, la “terra di mezzo” dei giganti gassosi

Rappresentazione schematica del metodo di microlensing usato per rilevare “Netturno”. Crediti: Lco/D. Bennett (trad. it. di Media Inaf – cliccare per ingrandire)

Il nome ufficiale è impronunciabile: Ogle-2012-Blg-0950Lb. Chiamiamolo dunque per comodità “Netturnio” (presto vedrete perché): è un esopianeta del quale è stata ora determinata la massa da un gruppo di ricercatori capeggiato da Aparna Bhattacharya, prima autrice dell’articolo pubblicato sulla rivista The Astronomical Journal. Il pianeta, un gigante gassoso, è stato osservato per la prima volta utilizzando i telescopi per il rilevamento di microlenti Optical Gravitational Lensing Experiment (Ogle) e il Microlensing Observations in Astrophysics (Moa) mediante il metodo del microlesing (vedi schema qui a fianco).

Nello studio, i ricercatori, usando la fotocamera near-infrared del telescopio Keck II di 10 metri dell’Osservatorio Keck di Maunakea, alle Hawaii, e lo strumento Wide Field Camera 3 (Wfc3) del telescopio spaziale Hubble, hanno condotto osservazioni di follow-up, ovvero successive alla scoperta, che come dice David Bennett, ricercatore all’Università del Maryland e co-autore dell’articolo, «hanno permesso di determinare che il pianeta subsaturniano,  o supernettuniano, ha una massa pari a 39 volte quella della Terra», compresa dunque tra quella di Nettuno e quella di Saturno (da cui il nostro “Netturno”), «e che la sua stella ospite è 0,58 volte la massa del Sole».

«Siamo rimasti sorpresi nel vedere che la massa cadeva proprio a metà dell’intervallo previsto fra le masse dei pianeti giganti», osserva Bhattacharya. «È stato come imbattersi in un’oasi nel bel mezzo del deserto degli esopianeti!».

Illustrazione artistica che mostra il confronto tra Saturno, Nettuno e il pianeta Ogle-2012-Blg-0950Lb. Crediti: Nasa / Jpl / Goddard / F. Reddy / C. Ranc

Non solo: il pianeta si trova oltre la “linea di neve“, la linea di demarcazione tra la regione occupata dai pianeti terrestri e quella occupata dai giganti gassosi. Una zona dove i materiali più leggeri, come i gas, sono in gran parte spinti verso le regioni esterne, accumulandosi e rendendosi disponibili per la formazione dei giganti gassosi.

Un altro mondo alieno gassoso, dunque, con una massa più piccola di quella attesa, che si aggiunge ad altri già scoperti con analoghe caratteristiche. Una classe di pianeti meno rari di quanto si riteneva, e che proprio per questo potrebbe, secondo gli autori, mettere addirittura in crisi l’attuale teoria della formazione dei pianeti gassosi.

Che questi pianeti potessero essere più comuni di quel che si pensasse lo aveva già indicato un’analisi statistica condotta da un’altra squadra di astronomi, in un lavoro comprendente la stessa Bhattacharya, e pubblicato su The Astrophysical Journal Letters lo scorso mese. La scoperta fatta oggi potrebbe dunque essere una conferma di quell’analisi.

Rappresentazione artistica di un sistema planetario in formazione. Crediti: Pat Rawlings / Nasa

Ma perché la scoperta  di una tale massa per questo esopianeta – circa 39 masse terrestri, dicevamo – potrebbe mettere in crisi l’attuale teoria della formazione dei pianeti, quantomeno di quelli gassosi? «Un processo chiave della teoria di accrescimento dei pianeti è il cosiddetto accrescimento per gas in fuga», spiega Bennett. «Si pensa che i pianeti giganti inizino il loro processo di formazione raccogliendo prima nel loro nucleo una massa – pari a di circa 10 volte quella terrestre – di rocce e ghiaccio. A questo punto inizia un lento accumulo di idrogeno ed elio gassoso. Accumulo che andrà avanti fino a quando la massa non è raddoppiata, per poi procedere esponenzialmente. Il processo si interrompe quando il gas si esaurisce. Se questo gas si esaurisce prima che si concluda l’accrescimento», continua Bennet, «otteniamo pianeti simili a Nettuno, con masse di 10-20 masse terrestri: dei Giove mancati».

Questo processo di accrescimento per gas in fuga dal disco protoplanetario, così come descritto nel modello “core accretion” di formazione dei pianeti, prevede circa dieci volte meno pianeti giganti con massa come quella di Ogle-2012- Blg-0950Lb rispetto a quanti se ne vedono nei risultati ottenuti con il microlensing. Questo perché i pianeti giganti, raggiunta una massa di 39 volte quella della Terra, dovrebbero crescere rapidamente, formando corpi molto più massicci. Raramente la crescita si arresta a tale massa. Ecco il motivo per cui i pianeti comeOgle-2012- Blg-0950Lb dovrebbero essere rari. Tuttavia, la discrepanza tra valori attesi e quelli osservati in questo studio implica che la formazione dei giganti gassosi possa coinvolgere processi che sono stati trascurati dai modelli di “core accretion” esistenti – modelli che, nel caso, dovrebbero subire una revisione – oppure che l’ambiente di formazione dei pianeti vari considerevolmente in funzione della massa della stella ospite.

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Un frullatore stellare

Una rappresentazione artistica di J17062 che ruba gas dalla sua compagna. Il materiale, prima di raggiungere la superficie della pulsar, forma il disco d’accrescimento. Crediti: Nasa / Goddard Space Flight Center

Immaginate due stelle in un sistema binario che orbitano una attorno all’altra in soli 38 minuti. Un enorme frullatore dove il succo che ne fuoriesce è composto da getti di raggi X e saltuariamente da immani esplosioni termonucleari dell’ordine di centinaia di megatoni. Questa la scoperta del team di ricerca di Nicer, Neutron star Interior Composition Explorer, il sensibilissimo strumento montato a bordo della Stazione spaziale internazionale. Il sistema binario da record, quello con l’orbita più veloce mai osservata, si chiama Igr J17062–6143 ed è composto da una pulsar e da piccola nana bianca.

Le due stelle, indissolubilmente legate gravitazionalmente in un vertiginoso anello, sono molto diverse fra loro. La prima è una pulsar a raggi X ad accrescimento millisecondo o Amxp, un densa e compatta stella di neutroni che potremmo definire “piena di sé”: nonostante il diametro di qualche decina di km, possiede una massa quasi una volta e mezza quella del nostro Sole. La sua compagna invece è una nana bianca, una piccola stella povera d’idrogeno. «Non è possibile per una stella ricca d’idrogeno, come il nostro Sole, essere la compagna di una pulsar», ha spiegato Tod Strohmayer, astrofisico del Goddard Space Flight Center della Nasa e primo firmatario del paper pubblicato il 9 maggio su The Astrophysical Journal Letters, «non puoi inserire una stella come quella in un’orbita così piccola». Le due stelle infatti sono vicinissime: la loro orbita è inferiore a 300mila km, meno della distanza che c’è fra la Terra e la Luna.

Orbitandosi così vicine, la pulsar finisce per strappare gas dalla sua compagna; si forma un turbinio di materiale in caduta libera verso la superficie attorno alla stella superdensa: si tratta del disco di accrescimento. Questo aumenta la velocità di rotazione della pulsar, portandolo a velocità straordinarie: J17062 ruota infatti a 9800 giri al minuto, 163 rotazioni ogni secondo. Tornando al materiale rubato alla sua compagna, questo, guidato dal massiccio campo magnetico della pulsar, viene trasportato fino ai poli dove si accumula generando due punti caldi. Così caldi che la loro radiazione elettromagnetica, la loro luce, supera lo spettro visibile e raggiunge la lunghezza d’onda dei raggi X, che vengono sprigionati sotto forma di getti.

Questi getti di raggi X ruotano assieme alla pulsar. Osservandola dalla Terra sembra accendersi e spegnersi continuamente, come se pulsasse. Da qui il nome pulsar, e sempre da questa caratteristica la possibilità che in futuro vengano usate come punti di riferimento per la navigazione stellare. Per ora il loro lampeggiare è quello che permette a strumenti come Nicer di individuarle e studiarle.

Non solo getti di raggi X ma anche gigantesche esplosioni termonucleari. Con l’accumularsi di materiale sulla superficie, la pulsar raggiunge un punto critico in cui gli atomi avviano il processo di fusione. Il risultato è catastrofico. Ogni centimetro quadrato della superficie della pulsar viene sconquassata da una quantità di energia pari a un milione e mezzo di bombe atomiche come quelle che hanno raso al suolo Hiroshima. Ad oggi J17062 non ha ancora mostrato un comportamento del genere agli attenti occhi di Nicer.

«Le stelle di neutroni si rivelano essere davvero dei laboratori di fisica nucleare unici, da un punto di vista terrestre», dice Zaven Azoumanian, astrofisico del Goddard e capo scienziato di Nicer, «non possiamo ricreare le condizioni di stelle di neutroni da nessuna parte nel nostro sistema solare. Uno degli obiettivi chiave di Nicer è di studiare la fisica subatomica che non è accessibile da altre parti».

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Guarda il video della Nasa (con voiceover in italiano) su MediaInaf Tv:

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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Buchi neri: molto attraenti, poco magnetici

Rappresentazione artistica del disco di accrescimento del buco nero nel sistema V404 Cygni. Crediti: Gabriel Pérez, Smm (Iac)

Una delle proprietà che caratterizza i buchi neri è la loro intensa forza di attrazione gravitazionale. Entro la distanza delimitata dal loro orizzonte degli eventi, nulla sfugge loro, nemmeno la luce. Se in fatto di gravità i buchi neri sono i primi della classe, lo stesso sembra non si possa dire sui campi magnetici che si vengono a creare intorno a essi. Uno studio pubblicato nell’ultimo numero della rivista Science mostra che questi oggetti celesti hanno un campo magnetico decisamente inferiore a quanto finora atteso. Il lavoro, guidato da ricercatori dell’Università della Florida e al quale hanno partecipato Piergiorgio Casella e Matteo Bachetti dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), presenta i risultati della mappa magnetica dei dintorni del buco nero nel sistema binario V404 Cygni, che indicano valori dell’intensità del  campo magnetico fino a quattrocento volte inferiore a quelli attesi.

V404 Cygni si trova a circa 7.800 anni luce dalla Terra in direzione della costellazione del Cigno. La sua caratteristica più particolare è che emette lampi di luce improvvisi e intensi, e questi picchi di attività corrispondono a fasi durante le quali attira a sé e inghiotte materiale dalla propria compagna. Il buco nero in V404 Cygni ha una massa di circa dieci volte quella del Sole ed è legato gravitazionalmente ad una stella “normale”, simile al nostro Sole, da cui sta risucchiando parte del materiale di cui è costituita. Nel suo viaggio verso il buco nero, questa materia cade con un moto spiraleggiante formando attorno a esso quello che prende il nome di disco di accrescimento, delle dimensioni dell’ordine di diverse migliaia di chilometri. In questo precipitare, la materia si surriscalda e nella corona calda che si forma nella vicinanze del buco nero essa può raggiungere temperature fino a centinaia di milioni di gradi, emettendo radiazione di alta energia, sotto forma di raggi X e gamma.  Il materiale viene quindi in parte espulso attraverso due getti che si allontanano in direzioni opposte con velocità prossime a quella della luce.

«L’utilizzo di strumenti di ultima generazione, e di tecniche di analisi molto sofisticate, ci ha permesso di osservare fenomeni fisici che avvengono vicinissimi a un buco nero con un livello di dettaglio mai raggiunto prima», spiega Casella, in forza all’Osservatorio astronomico di Roma dell’Inaf. «Il buco nero ha “sparato” degli elettroni energetici, che immersi in un campo magnetico hanno emesso radiazione a tutte le lunghezza d’onda, perdendo così energia e raffreddandosi. Noi abbiamo seguito questi elettroni, osservando il loro rapido raffreddamento e misurando quindi il campo magnetico vicino al buco nero. È un risultato senza precedenti, che apre la strada ad una comprensione maggiore di ciò che avviene attorno a questi oggetti misteriosi».

Gli autori dello studio hanno ricavato le misurazioni del campo magnetico di V404 Cygni dai dati raccolti nel 2015 durante una violenta esplosione di energia legata all’emissione di getti dal buco nero. L’evento è stato osservato simultaneamente a molte lunghezze d’onda, utilizzando il satellite NuStar della Nasa nella banda dei raggi X, il William Herschel Telescope (Wht) in banda della luce visibile, l’Arcminute Microkelvin Imager (Ami) nelle onde radio e il Gran Telescopio Canarias (Gtc) – il più grande telescopio ottico-infrarosso al mondo, situato al Roque de los Muchachos nelle Isole Canarie – nell’infrarosso.

«Questa sorgente si è rivelata una miniera d’oro», commenta Bachetti, ricercatore dell’Osservatorio astronomico di Cagliari dell’Inaf, che insieme a Casella, Federico Vincentelli e altri colleghi è stato recentemente coautore di un altro articolo su V404 del quale abbiamo parlato su Media Inaf. «La sua altissima luminosità ha permesso in pochissimo tempo di far avanzare in maniera sostanziale la nostra conoscenza di come si comporta la materia che gira intorno ai buchi neri, dandoci nuovi elementi per capire come mai parte di questa materia venga lanciata via ad altissima velocità invece di caderci dentro».

Per saperne di più:

  • Leggi su Science l’articolo “A precise measurement of the magnetic field in the corona of the black hole binary V404 Cygni“, di Yigit Dallilar, Stephen S. Eikenberry, Alan Garner, Richard D. Stelter, Amy Gottlieb, Poshak Gandhi, Piergiorgio Casella, Vik S. Dhillon, Tom R. Marsh, Stuart P. Littlefair, Liam Hardy, Rob Fender, Kunal Mooley, Dominic J. Walton, Felix Fuerst, Matteo Bachetti, A. J. Castro-Tirado, Miguel Charcos, Michelle L. Edwards, Nestor M. Lasso-Cabrera, Antonio Marin-Franch, S. Nicholas Raines, Kendall Ackley, John G. Bennett, A. Javier Cenarro, Brian Chinn, H. Veronica Donoso, Raymond Frommeyer, Kevin Hanna, Michael D. Herlevich, Jeff Julian, Paola Miller, Scott Mullin, Charles H. Murphey, Chris Packham, Frank Varosi, Claudia Vega, Craig Warner, A. N. Ramaprakash, Mahesh Burse, Sujit Punnadi, Pravin Chordia, Andreas Gerarts, Héctor de Paz Martín, María Martín Calero, Riccardo Scarpa, Sergio Fernandez Acosta, William Miguel Hernández Sánchez, Benjamin Siegel, Francisco Francisco Pérez, Himar D. Viera Martín, José A. Rodríguez Losada, Agustín Nuñez, Álvaro Tejero, Carlos E. Martín González, César Cabrera Rodríguez, Jordi Molgó, J. Esteban Rodriguez, J. Israel Fernández Cáceres, Luis A. Rodríguez García, Manuel Huertas Lopez, Raul Dominguez, Tim Gaggstatter, Antonio Cabrera Lavers, Stefan Geier, Peter Pessev e Ata Sarajedini

Buco nero da record: è il più lontano

Rappresentazione artistica del quasar più distante mai osservato, un buco nero supermassiccio circondato dal suo disco di accrescimento. Gli astronomi hanno utilizzato questa scoperta per ottenere informazioni importanti sui primi stadi della vita dell’Universo. Crediti: Carnegie Institution for Science

Due gruppi di astronomi guidati dall’Università Carnegie in California e dal Max Planck Institute for Astronomy in Germania hanno scoperto il buco nero più distante finora osservato: per arrivare sulla Terra, la luce del quasar Ulas J134208.10+092838.61 – alimentato dal buco nero supermassiccio – ha impiegato 13 miliardi di anni. Ciò significa che potrebbe essersi formato 690 milioni di anni dopo il Big Bang, quando l’universo stava uscendo dalla cosiddetta “Era Oscura”. I ricercatori, tra cui anche Roberto Decarli dell’Istituto nazionale di astrofisica di Bologna, hanno effettuato la scoperta utilizzando diversi strumenti e telescopi: i telescopi Magellano in Cile, le antenne del Noema Array (dell’Iram) in Francia e il radiotelescopio Very Large Array in New Mexico. Durante l’intensa campagna osservativa, i due gruppi – uno guidato da Eduardo Bañados del Carnegie Institution for Science, l’altro da Fabian Walter e Bram Venemans del Max Planck – hanno catturato la luce proveniente da questo quasar estremamente potente imparando qualcosa di nuovo sull’universo primordiale.

Immagine della galassia che ospita il quasar recentemente scoperto, scattata nella caratteristica luce del carbonio ionizzato (CII). Osservazioni come questa hanno dimostrato che la galassia ospite contiene quantità sorprendenti di elementi pesanti e polvere. Crediti: Mpia / Venemans et al.

I quasar sono delle sorgenti energetiche che risiedono nel cuore delle galassie e sono generati dai buchi neri più massicci – in questo caso 800 milioni di volte la massa del Sole. La loro luce viene prodotta quando del materiale galattico, come gas o anche intere stelle, collassa all’interno del buco nero supermassiccio al centro di una galassia. Tale materia si raccoglie in un disco di accrescimento intorno al buco nero, raggiungendo temperature fino a qualche centinaia di migliaia di gradi centigradi prima di cadere infine nel buco nero stesso.

Il quasar appena scoperto è talmente luminoso che brilla come 40mila miliardi di stelle simili al Sole, e aggiunge dati cruciali per lo studio delle prime fasi della storia dell’universo: la sua luce mostra che una frazione significativa di idrogeno era ancora neutrale 690 milioni di anni dopo il Big Bang, e questo porta gli esperti ad avvalorare modelli che prevedono che la reionizzazione (il passaggio dal periodo durante il quale l’universo era buio, composto solamente da nubi di elementi chimici elementari in balia delle forze gravitazionali, all’universo strutturato in complesse reti di galassie e nebulose di gas ionizzato intergalattico che possiamo osservare oggi) sia avvenuta relativamente tardi.

Roberto Decarli, Inaf di Bologna

«La scoperta di un quasar così distante nel tempo», osserva Decarli, «offre una prospettiva inedita sull’universo giovane. Questo oggetto da solo ci regala importanti informazioni sulla formazione ed evoluzione dei primi buchi neri supermassicci, delle prime galassie di grande massa, sull’arricchimento chimico del gas nelle galassie e sull’evoluzione del mezzo intergalattico verso la fine della reionizzazione».

La distanza del quasar è determinata da quello che viene chiamato redshift, (letteralmente “spostamento verso il rosso”), vale a dire l’allungamento della lunghezza d’onda della luce associata all’espansione dell’universo: più alto è il redshift, maggiore è la distanza, e più indietro gli astronomi guardano nel tempo quando osservano l’oggetto. Questo quasar ha un redshift di 7,54 (il record precedente, per i quasar, era 7,09). Di quasar così distanti ne sono previsti solo in un numero molto ridotto (da 20 a 100 esemplari).

Raprresentazione schematica del viaggio nel tempo che è possibile effettuare grazie alla scoperta del quasar più distante mai visto. L’osservazione grazie a uno dei telescopi Magellano (in basso a sinistra) permette agli astronomi di ricostruire informazioni in merito all’epoca della reionizzazione (le bolle a metà dell’immagine) in seguito al Big Bang (in alto a destra). Crediti: Carnegie Institution for Science

Quasar giovani come Ulas J134208.10+092838.61 possono fornire preziose informazioni anche sull’evoluzione della galassia ospite. Registrando una massa di quasi un miliardo di masse solari, il buco nero che ha generato il quasar è relativamente massiccio. Spiegare come un buco nero di questo tipo si sia formato in così poco tempo è un rompicapo per i ricercatori.

«Raccogliere tutta questa materia in meno di 690 milioni di anni è una sfida, se ci basiamo sulle attuali teorie di accrescimento dei buchi neri supermassicci», spiega Bañados. «I quasar sono tra gli oggetti celesti più luminosi e lontani conosciuti e sono quindi cruciali per comprendere l’universo primordiale», conclude Venemans.

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