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Ricette di Cosmologia - I Buchi Neri

“La cosmologia è lo studio dell'universo nel suo insieme, delle sue dimensioni e della sua forma, della sua storia e del suo destino” (Walter Isaacson – “Albert Einstein”)
 
La cosmologia moderna è materia assai complessa ed in continua evoluzione, ogni giorno i progressi delle ricerche scientifiche ci regalano allo stesso tempo nuove certezze e nuove sfide.
 
Così come le più sofisticate tecniche della cucina non possono ancora fare a meno degli ingredienti fondamentali adoperati dalle nostre bisnonne, i tentativi di conciliare le teorie quantistiche con la legge della relatività di Einstein nella ricerca della “Teoria del Tutto” non possono ancora prescindere dagli insegnamenti che ci hanno lasciato Newton e Galileo Galilei.
 
In questa rubrica cercheremo di prendere di volta in volta gli ingredienti fondamentali della Fisica e della Cosmologia e di mescolarli assieme per analizzare al meglio le scoperte ed i misteri più sorprendenti che ci regala il nostro Universo.
 
 

I BUCHI NERI 

INGREDIENTI

 
Per comprendere le origini e le caratteristiche fondamentali dei Buchi Neri, abbiamo bisogno di:
 
Forza gravitazionale: la forza di gravitazione universale è una delle quattro forze fondamentali della fisica ed è una forza universale: qualsiasi particella dotata di massa ne subisce gli effetti. La forza gravitazionale è sempre attrattiva e la sua influenza agisce anche su grandissime distanze.
 
Velocità di fuga: la velocità di fuga è la velocità che serve ad un corpo per allontanarsi definitivamente dall'attrazione gravitazionale di un altro corpo. 
Se noi volessimo sfuggire all'attrazione del campo gravitazionale della Terra dovremmo allontanarci ad una velocità di 11,2km al secondo; se abitassimo su Mercurio invece ne sarebbero sufficienti appena 4,4 (km/s) questo perchè maggiore è la densità di un corpo, maggiore sarà la forza di gravità che questo corpo esercita e maggiore sarà la velocità necessaria per allontanarsi indefinitamente.
 
Velocità della luce: 299 792,458 chilometri al secondo, nel vuoto.
 
Collasso gravitazionale: al termine del suo ciclo di vita, quando la pressione generata dalle reazioni termonucleari che avvengono al suo interno cessa e non è sufficiente a contrastare la forza di gravità, la stella si contrae e la densità della sua massa aumenta.
 
Conservazione del momento angolare: è un principio fisico che possiamo utilizzare per spiegare la rotazione estremamente veloce delle stelle compatte quando si formano a partire da stelle di dimensioni decisamente più grandi, ma con velocità di rotazione più lente. E' lo stesso principio che fa aumentare ad un pattinatore la sua velocità di rotazione quando questo porta le sue braccia attaccate al corpo. 
 
Relatività Generale: per la Relatività Generale  luce, spazio e tempo vengono influenzati in modo ben preciso dalla forza di gravità: in presenza di massa lo lo spazio-tempo si deforma curvandosi.
 
Relatività ristretta: per la Relatività Ristretta nulla può avere una velocità superiore a quella della luce
 
Secondo principio della termodinamica: stabilisce che la quantità di "disordine" (detta entropia) presente all'interno di un certo sistema (e quindi l'incapacità di conoscerne lo stato esatto) cresce con l'aumentare del tempo.
 

MODALITA' DI PREPARAZIONE

 
Prendiamo una stella di grande massa al termine del suo ciclo di vita ed aspettiamo che si contragga sotto la sua stessa forza di gravità; man mano che che la densità della sua materia aumenta, il suo campo gravitazionale diventa sempre più forte: quando l'attrazione gravitazionale sarà così intensa da determinare una velocità di fuga dalla sua superficie superiore alla velocità della luce avremo il nostro Buco Nero. Una regione dello spazio-tempo dalla quale nulla, neppure la luce, riesce a sfuggire.
 
Ma dove possiamo trovare una densità di massa tale da dare origine ad un buco nero? In primo luogo...nelle stelle.
 
 
 
L'ultimo stadio "visibile" di una stella di grande massa è una stella di neutroni; sappiamo però che non possono esistere stelle di neutroni al di sopra delle 2,5 masse solari, perchè il gas di neutroni non sopporta gli effetti gravitazionali di una massa sovrastante che superi questo livello massimo.
 
Quindi una stella al termine del suo ciclo di vita con massa superiore a questo limite si contrae al tal punto da trasformarsi in buco nero. I buchi neri e le stelle di neutroni si manifestano più o meno nello stesso modo, ossia con massicce emissioni di radiazione X provenienti dalle zone circostanti.
 
Tuttavia, avendo masse diverse, per la legge di gravitazione universale anche i loro effetti sulla massa circostante saranno diversi: se osserviamo, ad esempio, i comportamenti delle stelle visibili nei sistemi binari come Cignus X-1 e LMC X-3 (entrambe sorgenti di radiazione X), possiamo dedurre che le loro compagne invisibili generano effetti tali sulle reciproche compagne in orbita da ipotizzare che abbiano massa superiore alle 10 masse solari e che, quindi, siano buchi neri.
 
 

Interazione tra materia oscura e flussi supersonici.

Per quanto riguarda i buchi neri supermassicci, una domanda aperta riguarda la modalità di formazione di masse così grandi in tempi in cui l'universo era molto giovane, circa 13 miliardi di anni fa. I processi a noi noti che possono portare alla formazione di aggregazioni di massa così consistenti, infatti, richiedono molto tempo e scovare buchi neri di milioni di masse solari quando l'universo aveva una età pari al 5% di quella attuale è da sempre un mistero. 
Una simulazione portata avanti dal Kavli Institute tramite il supercomputer Aterui (Science, Settembre 2017) rivela la possibilità che queste masse possano essere nate dall'interazione tra flussi di gas supersonici lasciati dal Big Bang e la materia oscura, processo che potrebbe richiedere appena 100 milioni di anni. Secondo la simulazione l'interazione tra la materia oscura condensata e i flussi supersonici del Big Bang avrebbero creato una protostella di circa 34 mila masse solari in un lasso di tempo molto limitato. La stella è collassata creando un buco nero enorme e questo processo si è ripetuto più volte, con una densità stimata in un evento ogni tre miliardi di anni luce di volume, dando vita in seguito alla fusione di molteplici buchi neri. Fusione che ha portato alla formazione di masse di milioni di masse solari in un tempo compatibile con quanto osservato oggi. 

PRESENTAZIONE

 
Sarà difficile presentare il nostro buco nero perchè non possiamo osservarlo direttamente, possiamo però osservare gli effetti della sua fortissima attrazione gravitazionale e la distorsione che la sua presenza esercita nello spazio-tempo circostante.
 
Data l'enorme densità di massa, lo spazio-tempo intorno al buco nero subirà una distorsione tale che potremo vedere quello che succede solo entro un certo limite. 
 
 
Questo limite di osservazione viene definito “orizzonte degli eventi”, nessun evento che avviene al di sotto di tale orizzonte (in rosso nella figura) potrà mai essere osservato dall'esterno, perciò l'orizzonte degli eventi può essere considerato a tutti gli effetti come la superficie del buco nero.
Il raggio dell'orizzonte degli eventi è direttamente proporzionale alla massa collassata: tanto più grande è la massa tanto più grande sarà il raggio.
 
La densità della materia all'interno del buco nero è infinita, e prende il nome di singolarità spazio-temporale, una condizione estrema ed inosservabile in cui le leggi della fisica standard non possono essere più applicate e quindi non possono essere più considerate valide. Nessuno sa a cosa va incontro la materia che finisce dentro all'imbuto creato dal buco nero e come si trasforma una volta superato il limite dell'orizzonte degli eventi.
 
 
 
Intorno all'orizzonte degli eventi avremo uno spazio "borderline" dove tutto si muove velocemente. In quest'area (in grigio nell'immagine) definita "ergosfera" lo spazio-tempo è trascinato dalla rotazione del buco nero ma è ancora possibile uscirne, perchè il limite di non ritorno dell'orizzonte degli eventi non è ancora stato superato.
 
Anche il tempo subirà una trasformazione con l'approssimarsi al buco nero: sappiamo che, per la teoria della relatività, ogni osservatore ha la sua propria misura del tempo influenzata dall'attrazione gravitazionale. Due osservatori sottoposti a due diversi campi gravitazionali avranno due diverse (ma altrettanto valide) misurazioni del tempo. Nel caso di un buco nero, oltre l'orizzonte degli eventi si avrà una dilatazione gravitazionatale temporale tale che per un osservatore che si trovi al suo interno il tempo sembrerà essere infinito.
 
 
 
Il limite del nostro orizzonte degli eventi, come abbiamo visto, ci impedisce di conoscere la sorte della materia che ha dato origine al buco nero, a dimostrazione che esiste una somiglianza (ipotizzata e quindi presunta) tra l'area dell'orizzonte degli eventi di un buco nero e la sua entropia, sappiamo che la materia e la radiazione che cadono all'interno del buco nero ne accrescono la dimensione, e quindi il raggio dell'orizzonte degli eventi. Anche la collisione di due buchi neri genera una varizione nell'orizzonte degli eventi:  l'area del nuovo orizzionte degli eventi che si andrà a creare sarà superiore alla somma delle due precedenti. 
 

GLI INGREDIENTI DEI BUCHI NERI NEL PASSATO...

 
Sebbene la definizione di Buco Nero sia piuttosto recente (fu coniata infatti in occasione di una conferenza tenuta nel 1967 dal Prof John Wheeler, fisico statunitense) l'ipotesi che la materia potesse soccombere alla forza di gravità fu pensata già nel 1783 da John Michell; anche il Marchese di Laplace, matematico francese, pochi anni più tardi, ipotizzò che un oggetto di massa sufficientemente elevata avrebbe potuto trattenere la sua stessa luce ad opera della sua forza di gravità.
 
La prima formulazione scientifica la dobbiamo però a Schwarzschild che nel 1916, nel  pieno svolgimento delle sue attività come volontario dell'esercito tedesco durante la Prima guerra mondiale, tento di applicare le equazioni di campo della relatività generale per calcolare quale sarebbe stato il campo gravitazionale attorno ad un corpo nello spazio. E' sua la formula che ci consente di determinare il raggio dell'orizzonte degli eventi di un buco nero partendo dalla sua massa (c.d.Raggio di Scwarzschild)
 
Oppenheimer poi nel 1939 mise il sigillo definitivo all'ipotesi, comprendendo cosa sarebbe potuto accadere ad una stella di grande massa secondo la teoria della relatività generale, predicendo il collasso gravitazionale e la possibilità che potesse esistere in natura una condizione di densità della materia “infinita”.
 

...E PER IL FUTURO

 
La singolarità spazio-temporale che si crea all'interno dei buchi neri, ossia quella condizione di densità della materia "infinita" che invalida tutte le leggi della fisica, può farli considerare a tutti gli effetti come l'inverso temporale del Big Bang ed il loro studio in futuro potrà aiutarci a meglio comprendere i meccanismi che hanno creato l'Universo così come lo conosciamo oggi.
 
Lo studio della loro "entropia", quindi del disordine del sistema che si crea al loro interno, potrà portarci invece sempre più vicini alla teoria del tutto, per combinare finalmente insieme le teoria della relatività generale e della meccanica quantistica.
 
 

OSSERVABILITA' DEI BUCHI NERI

Ovviamente i buchi neri non sono visibili in via diretta ma vengono dedotti dalla radiazione X del materiale che si riscalda proprio prima di andare ad alimentare la massa del buco nero stesso. Materiale che si dispone in un disco chiamato disco di accrescimento. Ad Agosto 2017, un articolo pubblicato su Physical Review Letters a firma di Guillaume Loisel racconta di esperimenti portati avanti al Sandia National Laboratories'Z machine, il più energetico laboratorio a raggi X presente sulla Terra, in grado di replicare i raggi X che circondano un buco nero. I risultati mostrano come sia necessario rivedere tutti i modelli che finora hanno interpretato l'emissionoe dalla materia prima di essere consumata dal buco nero ed anche il tasso di crescinta di massa collegato al fenomeno: molti articoli scientifici pubblicati negli ultimi venti anni necessitano di una revisione sostanziale visto che i risultati sfidano i modelli utilizzati per interferire la velocità con la quale i buchi neri acquisistono materia da stelle compagne. Il plasma che emette la radiazione X è esotico e finora nessun modello era stato testato in un laboratorio. 

Circa venti anni fa i fisici teorizzarono che alcuni stati di ionizzazione del ferro fossero presenti nel disco di accrescimento di un buco nero anche in assenza di linee spettrali a testimoniarlo. Sotto le condizioni estreme di gravità e radiazione in zona, gli elettroni di ferro altamente ionizzati, si riteneva, venivano liberati dagli atomi e fuggivano in zone oscure (decadimento Auger) in un processo chiamato distruzionoe di Auger. I test di laboratorio indicano, invece, che se non ci sono linee vuol dire che l'elemento, semplicemente, non è presente il che manda a rotoli ogni articolo basato sulla Distruzione di Auger

Immagine di Chandra di Swift J1644+57. Credit Elena Seyfina.

Immagine di Chandra di Swift J1644+57. Credit Elena Seyfina.

I buchi neri sono in genere osservati in via indiretta tramite il disco di accrescimento e la sua emissione, disco che ipotizzando un equilibrio tra pressione della radiazione elettromagnetica e forza gravitazionale espressa consente la stima della massa del buco nero interno. Esiste un altro modo per stimare la massa del buco nero e il metodo è fornito dalla Dott.ssa Elena Seyfina della Moscow University a Settembre 2017 (Astronomy and Astrophysics), dopo aver studiato una emissione da una sorgente extragalattica chiamata Swift J1644+57. Il burst osservato ha fatto pensare, inizialmente, a un Gamma Ray Burst ma questo tipo di evento sparisce in due giorni mentre l'osservazione ha visto la radiazione persino aumentare, per sparire ben due anni dopo. L'evento è stato così escluso dai GRB ed è stato catalogato come distruzione mareale di una stella avvicinatasi troppo al buco nero: questi eventi creano un disco di accrescimento temporaneo, dato dalla materia stellare allungata e in caduta, e questo disco è stato osservato dalla Terra in termini di luminosità. L'inclinazione dello spettro X è variato durante l'incremento in luminosità e il team di lavoro ha scovato delle specifiche caratteristiche nello spettro, indicanti in modo netto la presenza del buco nero all'interno. E' stato assunto che se le forme (o la loro evoluzione) dello spettro di questi flare sono simili, allora i processi sono simili e la normalizzazione degli spettri è determinata soltanto dalle distanze degli oggetti e dalla loro massa. Verificando la similitudine tra quanto osservato negli oggetti conosciuti con le tracce ottenute nei nuovi flare extragalattici, gli scienziati hanno potuto appurare la natura dei flare e la loro origine, riconducendola a stelle distrutte dai buchi neri, il che ha consentito di "pesare" la massa dei buchi neri in un nuovo modo, tramite confronto con i buchi neri galattici. Confrontando J1644+57 con Cygnus X-1, ad esempio, ha consentito di stimare che J1644 contiene un buco nero di 7x106 masse solari.

Tra le regioni più prolifiche per la fusione di buchi neri, evento in grado di generare onde gravitazionali rintracciabili, ci sono le periferie delle galassie a spirale, che potrebbero rappresentare la casa di molti sistemi binari di questo tupo (Astrophysical Journal Letters, Ottobre 2017, Rochester Institute of Technology).
I luoghi prediletti sono sempre stati indicati nelle piccola galassie, caratterizzata da popolazioni larghe di stelle, poco contaminate di metalli e quindi meno soggetto ai potenti venti nemici della formazione di stelle di grande massa. I confini delle galassie come la nostra hanno ambienti simili a quelli delle galassie nane, ma con un vantaggio ancora maggiore: sono più facili da trovare. In queste zone periferiche il contenuto di metalli è abbastanza basso, infatti, e l'ambiente presente in zone galattiche assume una importanza molto rilevante. 
 

ALLA BASE DEI SISTEMI BINARI DI BUCHI NERI

Rappresentazione di buco neroSu Nature, un articolo di Agosto 2017 mette in evidenza come la rilevazione delle onde gravitazionali abbia fissato dei paletti alla modalità di formazione dei sistemi binari di buchi neri che poi hanno portato al rilascio di energia gravitazionale tramite fusione. Secondo i fisici di Birmingham firmatari del lavoro, infatti, buchi neri del genere possono avere due soluzioni possibili: possono essere in lenta rotazione rispetto a quelli tipici della nostra Galassia oppure possono ruotare più velocemente ma avere assi di rotazione tra loro non paralleli, il che andrebbe ad implicare l'appartenenza a un'area cosmica molto densa, magari un ammasso stellare, in cui le perturbazioni gravitazionali possano portare a diversificazione di inclinazione oppure a acquisizione di una compagna. 

Le coppie di buchi neri possono infatti nascere in due situazioni differenti: possono derivare da un sistema binario in cui le compagne sono nate insieme, e in tal caso il loro asse di rotazione combacia, oppure possono derivare da una successiva acquisizione gravitazionale, e in tal caso i loro assi di rotazione sono inclinati in modo randomico e non sarà certo la successiva stabilizzazione orbitale a uniformarli.
Una tipologia di nascita non esclude l'altra: onde gravitazionali diverse che portano i segni di un disallineamento di rotazione tra i due buchi neri possono derivare da uno scenario tanto quanto dal secondo, ma la cosa importante è che le onde gravitazionali sono l'unico, nuovissimo, strumento che abbiamo oggi per ricavare informazioni sulla geometria del sistema binario di buchi neri che ha originato l'evento. Per conoscere quale delle due situazioni sia corretta nei casi di onde finora osservati occorrerà attendere poco, giusto il tempo di migliorare i modelli attualmente disponibili. 
 
NGC 7674. Credit NASA, ESA, HSTFinora il discorso sembra fatto apposta per i buchi neri di taglia stellare o intermedia, ma coppie di buchi neri esistono anche quando si parla di taglia supermassiccia, in seguito a fenomeni di merging galattico e uno studio di settembre 2017 pubblicato su Nature Astronomy a firma del National Center for Radio Astrophysics alla Pune University ha ribadito che la fusione di galassie porta alla fusione dei buchi neri centrali.  A testimonianza osservativa è stato portato il sistema presente al centro di NGC 7674, distante 400 milioni di anni luce da noi, con buchi neri separati da meno di un anno di luce. La massa combinata dei buchi neri è di circa 40 milioni di volte quella del Sole con periodo orbitale delle componenti di 100 mila anni circa. Sistemi di questo tipo possono originare onde gravitazionali a frequenze molto più basse rispetto a quelle catturate, provenienti da binarie di massa stellare. Tanto basse da sfuggire alla risoluzione di LIGO. Una soluzione può consistere nella collaborazione dei radiotelescopi mondiali, combinazione tale da portare a una risoluzione 10 milioni di volte superiore a quella dell'occhio umano. Grazie a questo schema interferometrico, due sorgenti compatte di onde radio sono state osservate al centro di NGC 7674, a dar vita alla classica forma a "Z" ipotizzata dagli studi. 
Cinque sistemi binari di buchi neri supermassicci sono stati scoperti tramite l'uso congiunto di Chandra X-Ray Observatory, WISE e il Large Binocular Telescope in Arizona (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society): si tratta di coppie di buchi neri che occupano la zona centrale di una galassia, a memoria di una antica fusione tra due galassie. Scovare oggetti simili è importante per lo studio della crescita di questi mostri cosmici ma i calcoli non sono lo stesso agevoli. Lo studio è partito da Galaxy Zoo per continuare poi con la Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e WISE, isolando sette possibili coppie. Cinque di esse sono state confermate ai raggi X di Chandra. 
 
La combinazione dei dati infrarossi con quelli X si è rivelata entusiasmante per le scoperte, consentendo di penetrare nelle nubi di gas e polvere che circondano le coppie di buchi neri. Sistemi di questo tipo, un giorno, porteranno a onde gravitazionali molto più forti di quelle captate a oggi con LIGO e VIRGO ma paradossalmente questi due rilevatori non sarebbero in grado di captarle. Il futuro di queste onde è LISA (Laser Interferometer Space Antenna)

Il caso di V404 Cygni

V404 Cyg
 
V404 Cyg 
 
Quando un buco nero di un sistema binario (black hole X-ray binary - BHXB) acquisisce materiale dalla stella compagna vengono creati due getti di particelle cariche che si allontanano dalla coppia a velocità relativistiche, emettendo potente radiazione X in un processo molto simile a quello sviluppato nei centri delle Active Galactic Nuclei
Molti BHBX sono galattici e le distanze in gioco consentono uno studio abbastanza dettagliato anche se sono eventi che si verificano in rare occasioni ogni anno (con i fenomeni più potenti molto più rari nell'arco di un decennio). 
A volte si verificano outburst che possono durare anche settimane, il che aumenta le possibilità di studio dei getti anche in termini di evoluzione. Ad oggi si conoscono due tipologie di getti, dipendentemente dal tasso di accrescimento di massa: a bassi tassi, i campi magnetici riescono a tenere compatti i getti mentre a tassi più alti si creano getti discreti che possono interferire con il processo in diverse modalità, dando vita a emissioni complesse. 
Il 15 giugno 2015 un outburst è stato registrato da un team del CfA nel sistema V404 Cygni nello spettro submillimetrico tramite il Very Large Array e il James Clerk Maxwell Telescope (SCUBA-2). L'attività è stata tracciata per circa quattro ore osservando flare multipli a tutte le frequenze tenute sott'occhio. I modelli parlano di otto getti bipolari e discreti, giungendo anche a una stima della velocità, delle proprietà strutturali, della geometria e dell'energia dei getti. L'articolo è apparso a Settembre 2017 su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
 
Rappresentazione del getto di V404 CygDopo aver consentito di misurare il collegamento esistente tra le variazioni nella banda X e quelle nello spettro ottico, il sistema binario di V404 Cyg (intervista alla Dott.ssa Bianco - University of New York) consente di penetrare all'interno del meccanismo che accende i getti relativistici che provengono dall'attività del buco nero (Nature Astronomy, Ottobre 2017). V404 Cyg dista da noi 7800 anni luce e nel 2015, come detto, ha sperimentato un outburst dopo 25 anni di quiete: durante questa fase il buco nero, con massa pari a otto masse solari, si è alimentato di materiale strappato alla stella compagna. Parte del materiale viene espulso in getti di plasma caldo ma a parte le parole il processo che alimenta questi getti è un mistero, e per svelarne i dettagli - almeno in parte - diversi telescopi spaziali (come NuSTAR) e terrestri (come il William Herschel a La Palma) sono stati puntati su V404 Cyg durante l'outburst del 2015, nella fase di picco, oltre che sul sistema binario GX 339-4, che invece si stava accendendo proprio in quel momento. Occhi puntati sulla zona di accelerazione, quella che intercorre tra la nascita dei getti (visibile in banda X) e il punto in cui questi si accendono nel visibile. 
Il ritardo tra emissione X e luce visibile è stato di un decimo di secondo, a indicare come i raggi X siano generati da materiale molto prossimo al buco nero. L'accelerazione dovrebbe essere legata ai campi magnetici molto forti e in grado di accelerare le particelle fino a farle collidere a velocità relativistiche. Nel decimo di secondo di ritardo la luce ha percorso 30 mila chilometri, rappresentanti proprio la zona di accelerazione interna del getto. Gravità e campi magnetici sono quindi alla base dell'accensione dei getti.
 
Fonti:
Dal Big Bang all'eternità - R. Penrose
Buchi Neri e Universi Neonati - S.W.Hawking
L'universo nel terzo millennio - M. Hack
Einstein - W. Isaacson
 
 
 

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