Associazione AstronomiAmo - Quantum Cafe Buchi neri ed equilibri a distanza
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In questo episodio analizzeremo diverse forme ed espressioni di “equilibrio”, riflettendo su come ogni evento in natura, sia nella nostra vita quotidiana che nelle galassie, tenda nel tempo a convergere verso una situazione di equilibrio.

Salve a tutti, carissimi lettori di AstronomiAmo, e bentrovati nella rubrica Quantum Cafè!

In questo episodio analizzeremo diverse forme ed espressioni di “equilibrio”, riflettendo su come ogni evento in natura, sia nella nostra vita quotidiana che nelle galassie, tenda nel tempo a convergere verso una situazione di equilibrio.

Partiamo la nostra riflessione da una domanda:

  “Qual è il ruolo dei buchi neri al centro delle galassie?”

Per rispondere cominciamo a fare una premessa. Spesso eventi catastrofici o violenti vengono interpretati con un'accezione negativa, a causa delle pesanti conseguenze che portano, ad esempio, nella nostra vita quotidiana. Eppure, per quanto un evento naturale possa essere imprevedibile, esso risponde sempre ad una causa scatenante, e si verifica per ripristinare un equilibrio venuto temporaneamente meno.
Allo stesso modo, in astronomia oggetti “esotici” o “mostruosi” come i buchi neri sono spesso avvolti da un alone di mistero, e per questo suscitano molta curiosità. In particolare, i buchi neri supermassicci costituiscono la classe di buchi neri piu' grandi finora conosciuta, e possono arrivare ad avere una massa da qualche milione, fino a qualche miliardo di volte la massa del nostro Sole!
Diversi studi hanno dimostrato che ogni galassia con ogni probabilità contiene un buco nero supermassiccio al proprio centro. La nostra galassia, la Via Lattea, non fa eccezione, ospitando al suo interno Sagittarius A*, un buco nero pesante circa 4 milioni di Soli.
Come per la nostra galassia, questi buchi neri centrali sono spesso inattivi, e si accendono in alcune occasioni, quando del gas o materiale interstellare orbita in prossimità del buco nero e viene “catturato” dalla sua enorme forza gravitazionale. In questi casi, attorno al buco nero si attiva un processo di accrescimento del gas in una specie di disco. Man mano che il gas si avvicina al buco nero, l'enorme forza di gravità comprime e riscalda il gas. Anche se alla fine del processo il gas finirà inevitabilmente nel buco nero, parte dell'energia generata nell'accrescimento viene rilasciata sotto forma di luce. In questi casi, enormi quantità di energia possono essere sprigionate, rendendo il buco nero ancora più brillante di tutte le stelle della galassia messe insieme, e visibile anche a miliardi di anni luce di distanza!

Quando ciò accade, chiamiamo questi buchi neri “Nuclei Galattici Attivi” (o AGN, dall'inglese “Active Galactic Nuclei”). Questi AGN sono tra gli eventi più violenti ed energetici osservabili nell'Universo.

Per ricollegarci alla domanda iniziale, vediamo qual è il ruolo dei buchi neri supermassicci al centro delle galassie. È stato dimostrato da vari studi che gli AGN fungono da termoregolatori delle galassie: in qualche modo regolano l'attività di formazione stellare della galassia e la sua evoluzione nel tempo.
Come? Semplicemente perché si nutrono dello stesso combustibile da cui si formano le stelle: gas e polvere interstellare. E quindi galassia e buco nero condividono spesso un percorso comune. Vediamo in cosa consiste l'attività del buco nero centrale.

Figura 1: (1): il buco nero accresce parte del gas contenuto nella galassia, che intanto sta formando nuove stelle. (2) Il buco nero diventa AGN: spazza via il gas circostante e riscalda l'ambiente galattico, limitando la formazione di nuove stelle.
Figura 1: (1): il buco nero accresce parte del gas contenuto nella galassia, che intanto sta formando nuove stelle. (2) Il buco nero diventa AGN: spazza via il gas circostante e riscalda l'ambiente galattico, limitando la formazione di nuove stelle.

Come abbiamo visto nell'episodio precedente, le galassie “invecchiano” nel tempo, trasformando progressivamente il gas in stelle, che dopo vari milioni di anni esplodono e immettono nuovamente gas nell'ambiente galattico. Durante questo processo ciclico, il buco nero supermassiccio può attivarsi, nel caso in cui lo stesso gas presente nella galassia vi orbiti troppo vicino.
Come accennato prima, il buco nero attrae il gas, e durante il processo di accrescimento, lo stesso gas emette grandi quantità di luce ed energia. Durante questa attività di AGN (chiamata “feedback”), il buco nero puo' emettere venti e getti a velocità elevatissime (anche decine di migliaia di km al secondo!), riscaldando il gas circostante o addirittura spazzandolo via. Questa violenta attività scombussola l'ambiente circostante, limitando la capacità del gas di formare nuove stelle. In questo modo, il buco nero centrale limita l'attività della galassia stessa. Infatti, alcune teorie suggeriscono che l'AGN abbia un ruolo importante nell'evoluzione delle galassie, ponendo un limite alla massa totale di stelle che una galassia può formare.

Questo legame tra buco nero centrale e galassia è un affascinante esempio di “equilibrio a distanza”: il gas della galassia influenza l'attività del buco nero, che a sua volta regola l'attività della galassia nel tempo. Quindi vediamo come un evento violento ed esplosivo come un AGN sia in realtà indispensabile a garantire una crescita graduale e controllata della galassia stessa.

Ma di quali distanze stiamo parlando? Anche se i buchi neri supermassicci sono enormi concentrazioni di materia, ricordiamo che la loro dimensione è milioni di volte inferiore a quella della galassia in cui vivono: in proporzione, se un buco nero fosse grande quanto un pallone da calcio, la galassia sarebbe circa grande quanto la Terra! La Figura qui sotto ci mostra la differenza di scala tra una galassia (a sinistra) e il buco nero supermassiccio al suo interno (destra). Tipicamente la dimensione di una galassia come la nostra si aggira sui 100 mila anni luce, mentre un buco nero non raggiunge il centesimo di anno luce!

Figura 2: Differenza di scala tra una galassia (sinistra) e il suo buco nero supermassiccio (destra). Per raggiungere le scale del buco nero è necessario uno zoom di circa 10 milioni di volte!
Figura 2: Differenza di scala tra una galassia (sinistra) e il suo buco nero supermassiccio (destra). Per raggiungere le scale del buco nero è necessario uno zoom di circa 10 milioni di volte!

Quindi questo legame a distanza tra attività del buco nero e formazione stellare nella galassia è tutt'altro che scontato. Non a caso, questo è uno dei temi più dibattuti dell'astrofisica moderna. Ma è riconosciuto che non si può comprendere la formazione e l'evoluzione delle galassie nell'Universo senza studiare i buchi neri supermassicci al loro interno.

Nella nostra riflessione, passiamo ora dai corpi celesti alla nostra vita di tutti i giorni. Ad esempio, tutti noi conosciamo la gravità e i suoi effetti. Un classico esempio che sperimentiamo è saltare, o lanciare un oggetto in aria. Tutto ricade per terra, per effetto della gravità. Le stesse forze che, su piccole scale ed entità, sperimentiamo nella nostra vita quotidiana, regolano anche il cosmo e i moti degli oggetti celesti. Siamo circondati da una miriade di forme di equilibrio, in cui forze opposte si sbilanciano momentaneamente, ma nel tempo tendono a ripristinare una configurazione stabile. La Figura sotto mostra metaforicamente l'equilibrio tra forze opposte, sia nell'ambito astronomico, che nella nostra vita di tutti i giorni.
Ad esempio, terremoti o eruzioni vulcaniche sono visti come eventi che destabilizzano localmente un territorio, eppure anch'essi sono un'espressione di equilibrio. Infatti, se dell'energia in eccesso è stata accumulata nel sottosuolo, ad un certo punto dovrà uscire. Stessa analogia con il corpo umano: quando svolgiamo una normale attività fisica, la nostra temperatura corporea aumenta. Quindi il nostro corpo ci fa sudare per termoregolare l'organismo e ripristinare la temperatura iniziale.

Figura 3: Metafora semplificata del gioco di equilibrio tra forze opposte, che tendono ciclicamente a controbilanciarsi. Da una parte l'attività del buco nero supermassiccio, dall'altra l'attività di formazione stellare della galassia. Il confronto può essere esteso a qualsiasi evento naturale, compresa la nostra vita quotidiana
Figura 3: Metafora semplificata del gioco di equilibrio tra forze opposte, che tendono ciclicamente a controbilanciarsi. Da una parte l'attività del buco nero supermassiccio, dall'altra l'attività di formazione stellare della galassia. Il confronto può essere esteso a qualsiasi evento naturale, compresa la nostra vita quotidiana

Allargando la nostra ottica, possiamo considerare che ogni organismo vivente faccia parte di un ecosistema naturale, sviluppatosi nel corso di milioni di anni. Esiste, quindi, un profondo equilibrio tra i vari tasselli della catena alimentare. Un esempio è il connubio prede-predatori: se uno dei due venisse a mancare, questo causerebbe un'espansione incontrollata dell'altra specie, fino a generare un effetto domino lungo la catena alimentare, mettendo a rischio numerose forme di vita. La natura ha costruito un perfetto equilibrio tra ogni elemento: sbilanciare questa unica armonia troppo in fretta, come purtroppo spesso accade per mano dell'uomo, genera dei danni ambientali e climatici nel corso del tempo, che il nostro ecosistema non è preparato ad assorbire.

I tempi di milioni e miliardi di anni a cui l'Astronomia ci abitua, infatti, ci suggeriscono che un forte mutamento è destinato a durare solo se si inserisce in modo lento e costante, per consentire all'ambiente di adattarsi al cambiamento e convergere verso una situazione di equilibrio.

Tuttavia, equilibrio non coincide con staticità. L'Universo è decisamente dinamico, ma pieno di eventi i cui effetti di controbilanciano nel tempo. L'Astronomia ci permette di capire quanto universali siano i meccanismi che regolano gli eventi naturali, da oggetti microscopici a corpi celesti, con lo scopo comune di ripristinare nel tempo un equilibrio stabile.

Un caro saluto a tutti. Alla prossima!
Ivan