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Un’alleanza cosmica per creare un ‘buco-nero-scopio’

Gli osservatori spaziali Integral, Fermi e Swift hanno unito le proprie forze per sfruttare il potere d’ingrandimento creato da una lente cosmica con l’obiettivo di esplorare un buco nero supermassiccio che risiede nel nucleo di una galassia attiva denominato PKS 1830-211. I risultati di questo studio sono pubblicati su Nature Physics.

Gli oggetti cosmici dotati di grande massa, dalle singole stelle agli ammassi di galassie, piegano e focalizzano la radiazione agendo da lente d’ingrandimento. Questo effetto è chiamato lente gravitazionale o microlente quando riguarda piccole porzioni di cielo. Credit: ESA/ATG medialab

I raggi-gamma sono una forma di radiazione di alta energia che viene emessa da alcuni tra gli oggetti più estremi dell’Universo. I getti relativistici che emettono raggi-gamma provengono dalle regioni più interne attorno al buco nero centrale. Si ritiene che i getti siano emessi dal materiale supercaldo che orbita lungo un disco di accrescimento man mano che viene catturato dal buco nero. Naturalmente, i telescopi non saranno mai abbastanza potenti per rivelare le regioni più interne ma gli scienziati vogliono esaminare più in dettagglio come vengono prodotti i getti di materia. “Poichè non possiamo vedere esattamente che cosa sta accadendo, non possiamo comprendere il processo fisico“, dice Andrii Neronov della University of Geneva, in Svizzera, e autore principale dello studio. “Ad ogni modo, il nostro ‘metodo naturale’ ci ha permesso di ‘risolvere’ in parte questa regione dello spazio e ricavare preziosi indizi direttamente dalla zona che circonda il buco nero supermassiccio PKS 1830-211“. Il buco nero si trova a diversi miliardi di anni-luce da noi. Nè Integral nè Fermi sono in grado di osservare quella regione da soli, tranne per una coincidenza fortuita che ha dato una mano ai ricercatori: stiamo parlando della microlente gravitazionale. “Dalla Terra, i buchi neri appaiono troppo minuscoli. Sono molto distanti“, fa notare Neronov. “Cercare di osservare PKS 1830-211 è come provare a guardare una formica sulla Luna. Nessuno dei nostri telescopi è in grado di osservare qualcosa di così piccolo, perciò abbiamo utilizzato un trucco: una enorme lente gravitazionale”. Gli oggetti cosmici dotati di grande massa, dalle singole stelle agli ammassi di galassie, deviano e focalizzano i raggi luminosi che passano nelle vicinanze del loro campo gravitazionale, un fenomeno che amplifica le immagini degli oggetti più distanti come nel caso di vere e proprie lenti. Gli autori hanno utilizzato una stella che si trova interposta lungo la linea di vista per ingrandire la regione in cui si trova localizzato il buco nero in modo da misurare la dimensione del getto. Si tratta della prima volta che viene utilizzato questo metodo che sfrutta i raggi-gamma. Le strutture che sono state analizzate sottendono una dimensione angolare confrontabile con quella che sottende una formica situata sulla Luna. La zona di cielo in esame si estende per circa 100 volte la distanza Terra-Sole: si tratta di una distanza davvero molto piccola in termini astronomici. “Le nostre osservazioni dimostrano che i raggi-gamma provengono dalle immediate vicinanze del buco nero“, dice Neronov. “Questo ci fornisce qualche idea su ciò che è importante o meno nel processo di formazione dei getti. E’ stupefacente essere in grado di vedere piccole cose a queste enormi distanze. Sono molto entusiasta di avere a disposizione una sorta di ‘buco-nero-scopio’ che ci permette di esplorare le regioni più interne da dove hanno luogo i getti“.

La figura illustra una simulazione dell’effetto della lente gravitazionale di un buco nero supermassiccio nel nucleo di una galassia distante le cui immagini sono amplificate dalle stelle situate in una galassia interposta lungo la linea di vista. In rosso, al centro dell’immagine, è mostrato il buco nero assieme ad uno dei potenti getti relativistici che si origina nelle sue immediate vicinanze. La rete delle linee bianche rappresenta la posizione dove gli effetti dell’amplificazione e della distorsione dovuti alla lente gravitazionale delle stelle nella galassia interposta è particolarmente forte. Il risultato è la formazione di immagini multiple del buco nero e dei suoi getti che appaiono come archi rossi. Credit: A. Neronov, ISDC, University of Geneva, Switzerland

Le osservazioni condotte dai tre osservatori spaziali hanno poi permesso di avere un quadro più completo del processo che riguarda l’emissione di radiazione di alta energia. I dati relativi ai raggi-gamma più energetici, rivelati da Fermi, indicano che essi hanno origine alla base del getto (cioè da una regione le cui dimensioni sono paragonabili a quelle sottese, come dicevamo prima, da una formica sulla Luna), mentre i raggi-gamma meno energetici, rivelati da Integral, sono prodotti da una regione più grande. Gli scienziati hanno studiato anche i raggi-X rivelati da Swift e Integral. In questo caso, i dati indicano che l’emissione X ha origine da una regione che si estende attorno al buco nero per circa 400 miliardi di chilometri o più. “Questo oggetto è uno dei più potenti del suo genere. Studiare i meccanismi di emissione ci permetterà, almeno così si spera, di ricavare ulteriori indizi sulla formazone dei getti“, aggiunge Erik Kuulkers, project scientist di Integral. “Queste osservazioni forniscono una serie di informazioni uniche sui processi di alta energia che hanno luogo attorno ai buchi neri supermassicci, grazie al fatto che possiamo guardare quasi ‘all’interno’ di strutture molto piccole che si trovano a grandi distanze da noi“.

ESA: Astronomers use cosmic gravity to create a black-hole-scope
Nature Physics: Central engine of a gamma-ray blazar resolved through the “magnifying glass” of gravitational microlensing