Archivi tag: buchi neri supermassicci

L”appetito’ insaziabile dei quasar

Illustrazione artistica del concetto del disco di accrescimento attorno al buco nero nella galassia Mrk 231. Il flusso di radiazione è rappresentato in alto sopra il disco (in blu) ma non è ciò che si vede da Terra. Si nota inoltre un getto, molto stretto e localizzato che era noto prima delle osservazioni di Gemini.
Credit:Gemini Observatory/AURA, Lynette Cook

Quando due galassie fondono (merging), il buco nero supermassiccio centrale che si forma nella nuova galassia sviluppa una sorta di “appetito” insaziabile e insostenibile. Per la prima volta, alcune osservazioni realizzate con l’osservatorio Gemini hanno permesso agli astronomi di rivelare, chiaramente, un flusso di radiazione di alta energia su larga scala la cui attività sembra sia arrivata alle fasi finali. Il flusso di radiazione sta effettivamente privando la galassia del gas e delle polveri associate al disco di accrescimento che alimenta l’attività del buco nero, non solo, ma questa perdita di materia frena anche l’attività di formazione stellare.

Secondo Sylvain Veilleux dell’Università del MarylandMarkarian 231, la galassia implicata, è una sorta di “laboratorio ideale” per studiare l’attività dei buchi neri nei nuclei galattici attivi. “Questo oggetto è incredibilmente vicino e rappresenta il miglior esempio che conosciamo di una galassia gigante che sta vivendo gli stadi finali di un processo violento di merging dove si sta rivelando il quasar centrale“, spiega Veilleux. “E’ molto probabile che questi processi estremi stiano avvenendo anche in altre galassie attive“. Nonostante Mrk 231 sia stata studiata a lungo e sia nota per la presenza di getti relativistici, le osservazioni di Gemini hanno evidenziato la presenza di un flusso di radiazione che si estende in tutte le direzioni fino ad una distanza di circa 8.000 anni-luce attorno al nucleo della galassia e con una velocità di circa 1.000 Km/sec. A queste velocità, il gas potrebbe andare da New York a Los Angeles in circa 4 secondi! Questo flusso di radiazione sta togliendo gas al nucleo della galassia ad un ritmo vertiginoso, più di 2,5 volte quello previsto affinchè si formino nuove stelle. Mrk 231 si trova a circa 600 milioni di anni-luce nella direzione della costellazione dell’Orsa Maggiore. Sebbene la sua massa sia incerta, alcune stime indicano che essa sia almeno tre volte quella della Via Lattea mentre la massa del suo buco nero viene stimata essere dell’ordine di 10 milioni di masse solare, cioè tre volte quella del buco nero della nostra galassia. Nei nuclei galattici attivi (Active Galactic Nuclei o AGN) il flusso di materia che cade verso il buco nero centrale alimenta, di solito, l’attività dei quasar. L’oggetto in questione, Mrk 231, si trova oggi in una fase di transizione dove l’attività del quasar sta ripulendo, per così dire, l’ambiente galattico nucleare. Alla fine di questo processo, l’AGN si estinguerà. Senza gas, che occorre per formare nuove stelle, la galassia ospite “muore di fame” e diventa un insieme di stelle vecchie e solo poche stelle più giovani resistono ancora per rigenerare gli eventuali processi di formazione stellare. Insomma, le stelle più vecchie faranno apparire la galassia più arrossata e solo allora potremmo dire che siamo nella fase, come dicono gli astronomi, di “read and dead“. L’evoluzione dei buchi neri supermassicci è sostanzialmente legata ai processi di formazione stellare che avvengono nelle galassie e ciò determina una forte connessione tra la massa del buco nero e la massa delle stelle della galassia ospite. Ora, dato che la maggior parte delle galassie, almeno nell’Universo locale, non mostrano segni di evoluzione associata ai rispettivi buchi neri, si pensa che debbano esistere alcuni processi fisici che causano l’arresto dell’attività nucleare delle galassie. Alcuni modelli, infatti, suggeriscono che il “colpevole” di tutto ciò sia proprio la presenza di flussi estremi di radiazione provenienti dai quasar che determinano proprio l’assenza di materia ed energia per poter alimentare l’attività dei buchi neri centrali. Insomma, i risultati ottenuti con il telescopio Gemini mostrano la prima chiara evidenza osservativa che la presenza di questi flussi di radiazione siano la causa principale che porterà all’estinzione dei processi fisici legati all’attività dei buchi neri e all’attività di formazione stellare.

ArXiv: INTEGRAL FIELD SPECTROSCOPY OF MASSIVE, KILOPARSEC-SCALE OUTFLOWS IN THE INFRARED-LUMINOUS QSO MRK 231

La forza distruttiva dei buchi neri

L’immagine mostra la simulazione della distruzione di una stella ad opera del buco nero in una galassia nella costellazione del Draco.
Credit: Mark A. Garlick

Un gruppo di ricercatori hanno trovato le ‘tracce’ (flares) dei resti della distruzione di alcune stelle dovuta all’intensa forza gravitazionale dei buchi neri, un fenomeno cercato a lungo dagli astrofisici che apre una nuova finestra verso lo studio della relatività generale. La scoperta fornisce, inoltre, un nuovo strumento d’indagine per la ricerca di buchi neri di “massa intermedia” che si ritiene siano i precursori dei buchi neri supermassicci che risiedono nei nuclei delle galassie.

Gli astronomi hanno analizzato ciò che succede quando, di tanto in tanto, l’orbita di una stella viene disturbata in modo tale da passare molto vicino al buco nero supermassiccio, che si trova nel nucleo della galassia, ma non così vicino da far sì che la stella venga catturata completamente. Con il passare del tempo, la stella sarà distrutta dalle intense forze di marea causate dall’intensa forza di gravità del buco nero che attira la parte più vicina della superficie della stella. Durante questo processo, parte della materia stellare si stacca e cade verso il buco nero anche se buona parte di essa continua ad orbitare seguendo traiettorie caotiche, che portano spesso alla collisione della stessa, producendo una radiazione così intensa di alta energia che può durare da qualche giorno a qualche mese. Questi fenomeni sono denominatistellar tidal disruption flares (TDFs).

ArXiv: OPTICAL DISCOVERY OF PROBABLE STELLAR TIDAL DISRUPTION FLARES

MassiveBlack, una simulazione dei ‘primi’ buchi neri supermassicci

L’immagine mostra la distribuzione della materia su larga scala nella simulazione chiamata MassiveBlack. La densità del gas proiettata sul volume totale è rappresentata in due dimensioni nell’immagine sullo sfondo. I due inserti mostrano rispettivamente gli ingrandimenti delle regioni dove si forma il buco nero più massiccio che nell’immagine in alto a destra è alimentato da flussi di gas a bassa temperatura.
Credit: Yu Feng

Un gruppo di ricercatori del Bruce and Astrid McWilliams Center for Cosmology presso la Carnegie Mellon University hanno studiato la causa che determinò una rapida evoluzione dei primi buchi neri supermassicci, più di ogni altro oggetto che apparve nell’Universo delle origini: una ‘dieta’ costante di gas a bassa temperatura.

Durante le fasi primordiali della storia cosmica, tra 700 e 800 milioni di anni dopo il Big Bang, le prime stelle e le prime galassie cominciavano a formarsi e, secondo la teoria dell’evoluzione stellare, i buchi neri avevano dimensioni molto piccole rispetto a quelle delle galassie in cui risiedevano. Ma alcune recenti osservazioni realizzate con la Sloan Digital Sky Survey (SDSS) hanno mostrato che questo non è del tutto vero: giganteschi buchi neri supermassicci esistevano sin già a partire da circa 700 milioni di anni dopo il Big Bang e hanno le stesse dimensioni di quelli che osserviamo oggi dopo quasi 14 miliardi di anni. Come è possibile? Per risolvere questo enigma, i ricercatori hanno costruito la più grande simulazione al computer, denominata MassiveBlack, per studiare i primi miliardi di anni della storia del nostro Universo. I risultati della simulazione sono stati un successo perché hanno permesso di vedere la formazione dei primi quasar apparsi non solo con le dimensioni giuste ma anche nel tempo cosmico così come previsto dal modello cosmologico standard. Inoltre, i ricercatori hanno potuto esplorare l’Universo nelle sue ere primordiali andando ad osservare in dettaglio quelle particolari strutture o eventi che è molto difficile osservare direttamente con i telescopi spaziali. Ma andando ad analizzare le simulazioni sulla formazione dei primi buchi neri supermassicci, i ricercatori si accorsero di qualcosa di sorprendente. Di solito, quando flussi di gas a bassa temperatura si muovono verso un buco nero essi interagiscono con dell’altro gas che si trova nella galassia. Questo processo, che determina prima un innalzamento della temperatura del gas che successivamente diminuisce prima di cadere verso il buco nero, dovrebbe impedire la crescita della massa dei buchi neri fino al valore che osserviamo oggi.

In realtà, la simulazione fa vedere la presenza di piccole strutture a filamenti, quelle che danno luogo alla cosiddetta “cosmic web”, lungo le quali scorrono flussi di gas a bassa temperatura che vanno a finire direttamente sui buchi neri alimentandoli così in modo continuo e veloce. Di conseguenza, la massa dei buchi neri cresce in maniera esponenziale e molto più rapidamente rispetto a quella delle galassie nelle quali essi risiedono. Dunque, dato che una galassia si forma quando ha origine un buco nero, questi risultati diventano estremamente importanti perché ci forniscono una indicazione su come si sono originate le prime galassie e quindi, in maniera più globale, su come si è evoluto l’Universo. Il passo successivo sarà ora quello di ricostruire simulazioni sempre più grandi e complesse per coprire una porzione maggiore dello spazio e del tempo cosmico.

ArXiv 1: Early Black Holes in Cosmological Simulations: Luminosity Functions and Clustering Behaviour

ArXiv 2: COLD GAS FLOWS AND THE FIRST QUASARS IN COSMOLOGICAL SIMULATIONS

Gli ‘esclusivi’ ed ‘elusivi’ buchi neri del CERN

Tutti hanno sentito parlare, almeno una volta, di buchi neri, ma allo stesso tempo credo che non tutti sanno che sono in definitiva i buchi neri. I media, sia che si tratti della stampa o della TV, inclusi spesso anche i blog scientifici, rendono spettacolari le notizie che riguardano questi oggetti esotici, tralasciando di solito la parte che riguarda la Fisica.

La proprietà essenziale di un buco nero è la sua massa. In natura, abbiamo evidenze osservative, non dirette, in base alle quali sappiamo che i buchi neri possono avere masse che vanno da qualche decina a qualche centinaia, milioni o ancora alcuni miliardi di volte la massa del Sole. Di frequente si trovano nei sistemi stellari binari che emettono raggi-X, si parla di buchi neri di ‘taglia stellare’, oppure sono presenti nei nuclei delle galassie attive, in questo caso si parla di buchi neri di ‘taglia galattica’, noti anche come buchi neri supermassicci. Da sempre, essi incutono un timore reverenziale dato che essendo ‘oggetti super densi e collassati’ (in realtà si tratta di singolarità gravitazionale), l’ultimo stadio dell’evoluzione stellare, la loro gravità è così intensa che “piega” in maniera estrema lo spaziotempo attorno ad essi al punto tale che qualsiasi cosa superi l’orizzonte degli eventi, una sorta di “punto di non ritorno”, niente può tornare indietro, nemmeno la luce. Per questo, noi non siamo in grado di osservarli direttamente e quello che vediamo sono solamente gli effetti che la materia, sia che si tratti di gas, polvere o stelle, o la radiazione subiscono quando passano nelle loro vicinanze. C’è da dire, però, che esiste un aspetto positivo a favore dei buchi neri, perché grazie, in parte, ad essi l’Universo è in evoluzione, la materia viene di fatto plasmata e forgiata per formare nuova materia. Certamente è pericoloso vivere in prossimità di un buco nero ma per ora almeno noi possiamo stare tranquilli dato che il più vicino alla Terra si trova a soli 50 milioni di anni-luce, un pò lontano perchè la Terra possa subire in qualche modo i suoi effetti gravitazionali.

Un esempio di un evento registrato presso il rivelatore CMS dell’LHC, il cui numero di getti è previsto dal Modello Standard. Questi eventi stanno alla base della ricerca di buchi neri microscopici quando vengono fatti collidere fasci di protoni ad altissime energie. Risultato: non è stata trovata alcuna evidenza della loro produzione che è stata così esclusa da vari modelli considerando un intervallo di masse di 3,5-4,5 TeV (1 TeV = 1012 electronvolt).
Credit: CMS-LHC/CERN

Se dallo spazio siamo sicuri che non avremo alcuna minaccia da parte di questi “mostri del cielo”, tuttavia da quando recentemente i fisici del CERN hanno acceso l’LHC esiste una certa preoccupazione, che sottolineo non è giustificata, dato che gli esperimenti relativi alle collisioni di fasci di particelle ad altissima energia potrebbero dar luogo alla formazione di buchi neri: vero, ma si tratta di oggetti microscopici. Questa possibilità è stata diffusa dai media suscitando un certo panico e clamore in quanto la creazione di buchi neri, che ripeto sono microscopici, potrebbe avere implicazioni importanti sul destino del nostro pianeta, magari “inghiottendolo”: semplicemente assurdo! Ma allora come stanno le cose? La formazione di buchi neri microscopici è prevista da alcuni modelli che tentano di unificare la relatività generale con la meccanica quantistica, postulando l’esistenza di ulteriori dimensioni extra spaziali che sono, però, “compattificate” rispetto alle tre dimensioni spaziali del mondo a noi familiare. Ad energie così elevate, come quelle che si realizzano presso l’LHC, questi modelli suggeriscono che le particelle possono collidere in maniera molto ravvicinata al punto da “percepire” le dimensioni spaziali extra. In questi casi, le particelle possono interagire gravitazionalmente con una intensità simile a quella delle altre tre forze della natura, l’interazione elettromagnetica e le interazioni forte e debole. Le due particelle che collidono possono formare un buco nero microscopico. L’esistenza di questi mini buchi neri fornirebbero dunque una prova dell’esistenza di altre dimensioni spaziali. Se questo si dimostrerà vero, allora alcuni gravitoni, le particelle che trasmettono la forza di gravità, dovrebbero “scomparire” in queste dimensioni extra, spiegando così il motivo per cui la forza di gravità è molto più debole rispetto alle altre tre forze. Tuttavia, nessun esperimento realizzato finora con CMS ha permesso di rivelare questi eventi esotici e ciò esclude la formazione di buchi neri microscopici  nell’intervallo di energie 3,5-4,5 TeV così come è previsto da tutta una serie di modelli che postulano l’esistenza di ulteriori dimensioni spaziali. Se, invece, si dimostrasse il contrario, il buco nero microscopico dovrebbe evaporare istantaneamente lasciandosi dietro una sorta di “scia distintiva” di particelle subatomiche che sarebbero rivelate dal CMS. Questi risultati non implicano che tali dimensioni extra non esistono, piuttosto potrebbe essere necessario realizzare esperimenti ad energie ancora più alte perciò ne consegue che se queste esistono sono più difficili da rilevare rispetto a quanto si ipotizzava.

Per concludere, godiamoci questo interessante video che mi è stato concesso in esclusiva da Paola Catapano, Science Communicator del CERN, che ha realizzato una intervista al fisico teorico Alvaro De Rujula il quale spiega come mai i buchi neri “fabbricati” al CERN sono in definitiva così divertenti [link al video].

Galassie interagenti e buchi neri ‘primordiali’

Grazie a simulazioni numeriche relative a collisioni di galassie, alcuni astronomi sono stati in grado di analizzare, con dettagli senza precedenti, ciò che accade quando due sistemi stellari fondono (merging). I risultati di questa ricerca ci permettono di comprendere meglio la formazione dei primi buchi neri supermassicci che si sono originati quando l’Universo aveva una età di circa 13 miliardi di anni.

E’ una scoperta che in un certo senso aggiunge un tassello alla storia dell’Universo primordiale e, allo stesso tempo, essa ci permette di capire anche come si è formata la materia scura. L’Universo ha una età di quasi 14 miliardi di anni e si ritiene che le galassie si siano formate entro il primo miliardo di anni dopo il Big Bang. Le simulazioni realizzate al computer indicano che i primi buchi-neri supermassicci si sono originati proprio quando le galassie più antiche hanno cominciato a collidere e a fondersi per formare delle strutture più grandi. Il passo successivo è dunque quello di scoprire l’evoluzione dei buchi neri primordiali e la loro distribuzione nello spazio.

ArXiv: Direct Formation of Supermassive Black Holes via Multi-Scale Gas Inflows in Galaxy Mergers

Verso le origini del tempo cosmico

Un ultimo e ambizioso progetto vede ancora come protagonista il telescopio spaziale Hubble che permetterà ai cosmologi di esplorare i confini dell’Universo in cinque direzioni allo scopo di studiare la formazione delle prime stelle e l’evoluzione delle galassie. Utilizzando una quantità di tempo dedicato alle osservazioni, il programma Hubble Multi-Cycle Treasury Program realizzerà le fotografie di più di 250.000 galassie distanti fornendo agli astronomi una visione molto più dettagliata delle struttura delle galassie e del modo con cui si sono assemblate, per così dire, nel corso del primo terzo di tempo cosmico. “Si tratta di uno sforzo tale che permetterà di utilizzare il telescopio al massimo delle sue capacità fornendoci un insieme di dati senza precedenti per parecchio tempo“, spiega Sandra Faber investigatore principale presso l’Università della California a Santa Cruz.

Altri fini del progetto riguarderanno la ricerca di dati cruciali per capire le fasi iniziali della formazione dei buchi neri supermassicci e l’identificazione di supernovae distanti che sono fondamentali per studiare l’energia scura e l’espansione accelerata dell’Universo. Tutto ciò sarà possibile grazie alla potente camera a raggi infrarossi, cioè la Wide Field Camera 3 (WFC3), così come quella dedicata alle survey del cielo, l’Advanced Camera for Surveys (ACS). Al programma, che coinvolge un elevato numero di ricercatori a livello internazionale, è stato assegnato un tempo di osservazione pari a oltre 900 orbite, e rappresenta uno dei tre principali progetti che sono stati selezionati per l’Hubble Multi-Cycle Treasury Program. Il tempo dedicato alle osservazioni, equivalente a circa 3 mesi e mezzo, sarà distribuito nei prossimi due o tre anni. Hubble permette di andare indietro nel tempo dato che raccoglie la luce che ha viaggiato nello spazio per miliardi di anni. La prossima survey è stata progettata per osservare le galassie fino a distanze che corrispondono ad un intervallo di tempo cosmico da circa 600.000 fino a 4 miliardi di anni dopo il Big-Bang. “Vogliamo spingerci sempre più indietro nel tempo e vedere cosa stavano facendo, per così dire, le galassie e i buchi neri a quelle epoche” dice Faber. “E’ importante osservare regioni di spazio differenti dato che l’Universo appare caratterizzato da tante zone di addensamento della materia in modo da avere una visione più globale“.

Faber e i suoi collaboratori si aspettano i primi dati entro la fine del 2010 e, senza alcun dubbio, essi terranno occupati gli astronomi almeno per diversi anni. “Siamo molto eccitati non solo per le 900 orbite ma anche per ciò che la nuova camera ad infrarossi può fare. Sarà proprio impressionante ciò che riuscirà a vedere” conclude Faber.