L'ASTRONOMIA PER PASSIONE

  
  
  
Login  -  Registrati  -  Dimenticato i dati?

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.

Rappresentazione di getti e disco di accrescimento.Un nuovo modello, elaborato a fine 2017, tenta di predire la quantità di energia rotazionale persa da un buco nero supermassiccio come conseguenza dell'emissione di getti relativistici (con velocità prossime a quelle della luce), stimando la quantità in base a misurazioni del campo magnetico dei getti stessi. Questi getti sono composti, probabilmente, di elettroni e positroni o protoni, ma la composizione reale rimane un mistero quindi ogni nuova osservazione vale oro. Il disco di accrescimento, dal quale il buco nero trae nutrimento, gioca un ruolo fondamentale nella formazione dei getti e la coppia buco nero-disco è la macchina più efficiente di conversione di energia. L'efficienza si misura come tasso tra energia trasportata dai getti e energia della materia nel disco e questo tasso può eccedere anche il 100% ma il secondo principio della termodinamica resta valido poiché i risultati indicano che parte dell'energia dei getti proviene dalla rotazione del buco nero e questo va anche a spiegare come mai, nel tempo, la rotazione dei buchi neri vada a decelerare.

Tramite accrescimento il buco nero acquisisce momento angolare e ruota più velocemente. I getti portano via parte dell'eccesso di momento angolare nel processo di estrazione di energia rotazionale. Il momento angolare mancante viene usato per alimentare i getti e questo accade anche nella formazione stellare. Misurando il campo magnetico del getto è possibile risalire al contributo del buco nero all'energia dei getti stessi. Un buco nero non possiede, di per sé, un campo magnetico ma il campo verticale è generato intorno dalla materia ionizzata nel disco di accrescimento. Per stimare la perdita di energia rotazionale gli scienziati devono misurare il glusso magnetico verso l'orizzonte degli eventi. Misurando il campo magnetico dei getti si misura, per deduzione, il campo magnetico nei pressi del buco nero ed è possibile calcolare la distanza tra il suo asse di rotazione e l'orizzonte degli eventi. 

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. 
In realtà l'esistenza dei buchi neri è ancora non confermata, sebbene sia generalmente accettata come reale. La formazione di questi oggetti può derivare da collasso stellare o da fusione di stelle di neutroni, come testimoniato nell'ultimo caso dall'onda gravitazionale multi-messenger del 2017. Esiste però la possibilità che i buchi neri possano precedere la formazione stellare secondo uno studio avanzato per la prima volta da Stephen Hawking negli anni Settanta del secolo scorso: per provare questa teoria sarebbe necessario captare onde gravitazionali da fusioni di buchi neri oltre una certa distanza, precisamente (Brown University e Harvard University, Dicembre 2017, Physical Review Letters) oltre un redhisft pari a 40. Se trovassimo una onda generata oltre questa distanza, e quindi entro i primi 65 milioni di anni dal Big Bang, allora potremmo avere la certezza che i processi che formano i buchi neri non sono solo legati alle stelle. Finché questa onda non viene catturata, invece, nulla si può dedurre. I buchi neri primordiali sono lì, forse, in attesa di essere scoperti.

Buchi neri supermassicci. Credit Chandra-HST
 
Buchi neri supermassicci. Credit Chandra-HST
 
La crescita dei buchi neri supermassicci procede a tassi superiori a quelli di formazione stellare relativamente alle galassie che li ospitano: i dati di Chandra, riportati nel grafico, sembrano abbastanza evidenti. L'immagine di Chandra in blu è la più profonda mai ottenuta nello spettro X ed è stata combinata con segnali ottici e infrarossi di Hubble Space Telescope (rosso, verde e blu). Ogni punto osservato da Chandra è prodotto dalla caduta di gas verso un buco nero supermassiccio. 
Le galassie contenenti circa 100 miliardi di masse solari in stelle, il tasso tra crescita del buco nero e formazione stellare è dieci volte superiore a quello relativo a galassi di circa 10 miliardi di masse solari, un rapporto che indica come una maggior massa vada maggiormente ad alimentare il buco nero, piuttosto che le stelle. 

Regione cetrale di M77. Credit HST

Regione cetrale di M77. Credit HST

Il toro rotante di polvere intorno a un buco nero supermassiccio è stato osservato direttamente per la prima volta grazie ad ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) a inizio 2018 sebbene la teoria lo indicasse come reale già da decenni. L'osservazione può dire molto riguardo il legame di crescita tra buco nero e galassia visto che intuitivamente maggiore è la dimensione di uno e maggiore sarà la dimensione dell'altro, ma in realtà la diversit di massa è notevole. Oggetto di osservazione è stato il centro di M77, una galassia dal nucleo attivo (AGN): le immagini sono riuscite a risolvere una struttura gassosa e compatta con un raggio di 20 anni luce e questa struttura ruota intorno al buco nero, come atteso dall'Unified Model of AGN. La chiave di volta è stata la selezione dell'emissione molecolare, osservando l'emissione a microonde delle molecole di HCN e di HCO+, che emettono soltanto in gas denso.  Il toro sembra avere una asimmetria mentre la rotazione non va a seguire la gravità del buco nero in maniera fedele, contenendo anche una componente di moto randomico. Questo indica una violenta storia per l'AGN, fatta probabilmente di fusione con galassie minori. 

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. 
 

Fusione di buchi neri supermassicci.E' possibile prevedere la fusione di buchi neri supermassicci attraverso la nuova multimessenger astronomy, prima dell'effettiva fusione? Per rispondere sono state effettuate delle simulazioni nelle quali un disco di accrescimento intorno a un sistema binario di buchi neri alimenta i dischi individuali di ciascun oggetto (mini-dischi). La enorme attrazione gravitazionale dei buchi neri che spiraleggiano l'uno verso l'altro scalda e distrugge il flusso di fas dal disco al buco nero e rilascia periodici segnali dal visibile ai raggi X dovuti al materiale che va a finire nei mini-dischi i un processo ciclico di "filling" e "refilling". Se così fosse, allora sarebbe possibile capire quando si è in presenza di una imminente onda gravitazionale anche se le coppie di buchi neri supermassicci emettono onde a frequenze minori rispetto ai buchi neri di taglia stellare, tanto minori da non essere attualmente percepibili da LIGO. Per una detection simile occorrerà attendere LISA, previsto per gli anni Trenta, ma il Large Synoptic Survey Telescope (LSST) previsto per il anni Venti e in costruzione a Cerro Pachon, potrà riuscire a captare questi segnali luminosi - se veritieri - e "osservare" i segni di una imminente fusione.

Processo di fusione di buchi neri supermassicci

Processo di fusione di buchi neri supermassicci

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)

Rappresentazione di venti in uscita dal disco di accrescimento. Credit NASA/SwiftI flussi in uscita dai dischi di accrescimento dei buchi neri, siano essi getti o radiazione o venti di materia, sono alimentati da processi ancora poco noti ma sembra che siano presenti costanti venti di materia durante gli outburst, il che porta a pensare che il meccanismo prevalente sia magnetico e non termico. L'idea viene dallo studio di un campione di curve di luce in banda X riguardanti 21 outburst di 12 sistemi binari di taglia piccola e ottenuto tramite i dati di Rxte, Swift, Chandra e XMM-Newton. Questi venti potrebbero essere tanto potenti da rimuovere fino all'80% del pasto potenziale dei buchi neri.

Rappresentazione artistica del buco nero
 
Tra i circa 150 ammassi globulari della Via Lattea, NGC 3201 nella Vela è stato osservato dallo strumento MUSE installato sul Very Large Telescope dell'ESO: i dati hanno evidenziato la presenza di una stella il cui movimento sembra determinato in modo periodico (167 giorni) dalla presenza di un buco nero di massa pari a circa 4.36 masse solari. Si tratta del primo buco nero osservato in un globulare attraverso l'espressione diretta della gravità e non dalla fase di acquisizione e riscaldamento di materiale. 
La stella ha massa di circa 0.8 masse solari. Gli ammassi globulari possono essere, teoricamente, la sede di molti buchi neri di massa stellare vista la loro densità e la loro età.

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.

Un vecchio amico dei cosmologi, il buco nero del sistema di V404 Cyg, rivela come i buchi neri (generalizzando) siano in possesso di un campo magnetico fino a 400 volte più debole di quanto ipotizzato fino alla data dello studio. Per scoprirlo sono stati osservati gli elettroni energetici sparati dal sistema e immersi nel campo magnetico in modo da emettere radiazione a ciascuna lunghezza d'onda dello spettro. Gli elettroni, in questo modo, perdono energia. Seguire questi elettroni nella loro evoluzione consente di misurare il campo magnetico nei pressi del buco nero. Le osservazioni sono state portate avanti trami NuSTAR della NASA nei raggi X, William Herschel Telescope in luce visibile e Ami nelle onde radio, oltre al Gran Telescopio Canarias in infrarosso. 

Rappresentazione di un buco neroGli studi su V404 Cyg hanno portato a una campagna multifrequenza in grado di rivelare qualcosa in più sui buchi neri e sui campi magnetici che li circondano. Un buco nero ha un campo magnetico se questo campo era stato creato dai resti della stella dopo l'esplosione. Quando la materia si spezza intorno al buco nero, getti di elettroni vengono lanciati dal campo magnetico da entrambi i poli del buco nero a velocità relativistiche prossime a quelle della luce e le osservazioni di questi getti, nonché la stima del campo magnetico di V404 Cyg, hanno consentito di ottenere una comprensione più chiara della forza del campo stesso. I campi magnetici sono più deboli di quanto pensato il che potrebbe rimettere in discussione molti dei modelli fino ad ora elaborati. 

 
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
 
 
 

Forse potrebbero interessarti anche i seguenti articoli:
06/06/2018 - Oggetti G: una popolazione intera? - La nube G2 che passando vicino al buco nero galattico avrebbe dovuto mostrare fuochi artificiali si è rivalata un "flop" dal punto di vista dello spet...
11/07/2018 - Non un buco nero grande ma un grande disco - Osservazioni tramite il Subaru Telescope mostrano come alla base delle ULX non sia un buco nero di dimensioni enormi ma un processo legato al disco...
18/06/2018 - Ancora su 3C 279, il burst gamma più potente - Un video su gentile concessione di Youtube per rappresentare il burst gamma più potente, proveniente dal blazar 3C 279...
13/06/2018 - GW150914 ha davvero creato un buco nero? - Uno studio, condotto in un team al quale ha partecipato Paolo Pani, mostra come l'oggetto derivato dalla fusione di due buchi neri potrebbe non essere...
18/06/2018 - Finalmente un buco nero intermedio? - Una analisi delle distanze stellari all'interno dell'ammasso globulare 47 Tucanae porta alle prime indicazioni concrete sull'esistenza di un buco nero...
29/05/2018 - Le modulazioni di una stella distrutta - Uno strano pattern di luminosità in banda ottica e ultravioletta seguito, a distanza di un mese, da uno stesso pattern in banda X: la morte stellare p...
31/05/2018 - Il vento solare che buca la nostra magnetosfera - Un gruppo di ricercatori svedesi servendosi di dati ESA scopre che il vento solare porebbe attraversare la magnetosfera...
08/06/2018 - I campi magnetici nella formazione stellare - Uno studio effettuato sulla Nebulosa Zampa di Gatto pone in evidenza il ruolo dei campi magnetici nella formazione stellare...
08/05/2018 - Onde di Rossby anche sul Sole? - Per un breve periodo, SDO e STEREO hanno consentito una visione congiunta a 360° del Sole, mostrando fenomeni molto simili alle onde di Rossby della T...
30/04/2018 - Il campo magnetico sul ponte delle Nubi - Per la prima volta, tramite analisi dei segnali radio di galassie di background, un team di astronomi è riuscito a provare l'esistenza di un presunto ...
09/05/2018 - Corona solare, tra ferro e nanoflares - I dati ottenuti dal Solar Dynamics Observatory evidenziano una variazione nella composizione chimica della corona solare durante il ciclo di attività ...
12/07/2018 - Costante di Hubble, resta la discrepanza di Planck - Nuove misurazioni basate sulle lenti gravitazionali osservate da Hubble portano a un calcolo della Costante di Hubble ancora in disaccordo con quanto ...
20/06/2018 - Quale destino per il nostro universo? - i tre modelli di espansione dell'universo pensati da Alex Fridman e provati da Hubble e Penzias e Wilson, una indicazione per il destino del cosmo...
28/06/2018 - LA RELATIVITA' GENERALE - La Teoria della Relatività Generale getta le basi per lo studio della natura dell'Universo e regala al mondo una nuova geometria dello spaziotempo e ...
03/07/2018 - Un'onda "di luce": fusione di stelle di neutroni - Per la prima volta, una fusione di stelle di neutroni unisce l'astronomia gravitazionale a quella elettromagnetica. Un lampo e un'onda dalla galassia ...
26/06/2018 - La Materia Mancante - La materia oscura, componente ignoto ma determinante nell'universo. La sua natura e gli studi per dimostrarne l'esistenza...
04/06/2018 - LA NASCITA DELLE STELLE parte I - La nascita delle stelle e' stato un argomento che solo negli ultimi anni ha avuto una evoluzione notevole grazie allo studio delle regioni di formazio...
19/06/2018 - Materia oscura - MOND: partita finita? - Lo studio del moto delle stelle periferiche in galassie ellittiche porta sorprese: stesso comportamento rispetto alle galassie a spirale. Ignota la ca...
16/07/2018 - LENTE GRAVITAZIONALE - Uno degli strumenti più potenti per l'osservazione dell'universo primordiale è dato dalle lenti gravitazionali, effetti della Relatività Generale di E...
30/04/2018 - LA NASCITA DELLE STELLE parte II - Nella fase finale della nascita di una stella, si va incontro a fasi turbolente e anche spettacolari che contribuiscono a celare la protostella nella ...
29/06/2018 - Si scava nella storia di SN1987A - Osservazioni radio a elevata risoluzione consentono di indagare sulle regioni più interne della supernova del 1987, scoprendo caratteristiche delle fa...
11/06/2018 - Il Big Bang come modello cosmologico standard - Il modello cosmologico standard: una teoria di "quasi origine" dell'universo che trova sempre più riscontro nelle osservazioni, fino alle onde gravita...

Prossima diretta

Occhi al Cielo di Luglio 2018

Per i più piccoli

Astropillola

Cielo di oggi(Dettagli)

Sole
S: 05:55, T: 20:38
Distanza 1.0158 UA


Attività solare real time

Luna
S: 17:11, T: 02:27
Fase: 87% (Cresc.)

PIANETI VISIBILI

Marte - Alt. 22.3°
Tramonta: 06:08Mappa

Saturno - Alt. 13°
Tramonta: 04:01Mappa

Urano - Alt. 22.3°
Tramonta: 13:54Mappa

Nettuno - Alt. 35.5°
Tramonta: 09:57Mappa

Satelliti principali

ISS (ZARYA)

Accadde Oggi
Per oggi non risultano presenti particolari ricorrenze.

Gallery utenti

Partner

Peter Pan Onlus

International Physicist Network

Rigel Astronomia

Media Sponsor

SIAMO IN DIRETTA

Da questo momento puoi accedere alla nostra diretta. Controlla il riquadro sulla destra per aggiungerti alla AstroChat.

ALERT ISS!

La Stazione Spaziale Internazionale sta passando nel cielo in questo momento. Per maggiori informazioni cliccare qui