Il problema delle pulsar ‘mancanti’ nel centro galattico

La regione centrale della Via Lattea è un luogo molto movimentato e affollato da gas, polvere, stelle e, sorprendentemente, di sistemi stellari binari che orbitano attorno al buco nero Sagittarius A*. Dato l’elevato numero di stelle, gli astronomi stimano che ce ne dovrebbero essere centinaia al termine della loro fase evolutiva. Ad oggi, però, gli scienziati hanno trovato soltanto una pulsar giovane nel centro galattico quando invece ci si aspetta di trovarne almeno una cinquantina. La domanda è: dove sono andate a finire le pulsar? Joseph Bramante della Notre Dame University e l’astrofisico Tim Linden della University of Chicago ritengono di avere una possibile soluzione al mistero. I risultati del loro studio, pubblicati su Physical Review Letters, suggeriscono che l’assenza delle pulsar abbia una possibile spiegazione nella presenza di materia scura, distribuita in grande quantità nel centro della nostra galassia, che si “accumula”, per così dire, sulle stelle di neutroni finchè diventano così dense da collassare sotto l’effetto della gravità fino a formare un buco nero. In breve, potremmo dire che sono “scomparse” nello spaziotempo diventando così massicce da creare in esso un “buco (nero)”.

Universe Today: Where Have All the Pulsars Gone? The Mystery at the Center of Our Galaxy

arXiv: Detecting Dark Matter with Imploding Pulsars in the Galactic Center

Pubblicità

Verso l’esplorazione ‘ravvicinata’ di Sgr A*

Gli scienziati vogliono rispondere ad alcune domande, ancora aperte, su ciò che accadendo nelle regioni centrali della nostra galassia. Ad esempio, ci si chiede se la materia stia cadendo o se invece viene espulsa dal buco nero supermassiccio. Nessuno lo sa per certo, ma oggi un astrofisico della University of California, a Santa Barbara, è alla ricerca di risposte. Carl Gwinn, un professore del Dipartimento di Fisica, e colleghi hanno analizzato le immagini raccolte dalla sonda russa RadioAstron. I loro risultati sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal Letters.

La minaccia dei GRB e le ‘zone abitabili’ dell’Universo

Il 27 Dicembre 2004, una particolare stella di neutroni denominata con la sigla SGR 1806–20, situata a circa 50.000 anni-luce nella costellazione del Sagittario, produsse una intensa emissione di radiazione che si propagò fino a raggiungere la Terra al punto da interagire con la magnetosfera. L’evento fu di notevole interesse poiché gli astronomi furono testimoni per la prima volta del fatto che un oggetto situato al di fuori del Sistema Solare potesse influenzare direttamente il nostro pianeta. I gamma-ray burst (GRB), o lampi gamma, sono gli eventi più energetici che conosciamo. Nonostante il brillamento registrato da SGR 1806 -20 fosse relativamente mite, ce lo ricordiamo come un cattivo esempio dato che la vita sulla Terra è potenzialmente minacciata da eventi di inimmaginabile potenza. Ma qui arriva il punto: si ritiene che i GRB siano molto più comuni in alcune regioni dell’Universo che in altre. Ciò implica che alcune zone dello spazio cosmico siano decisamente inospitali per eventuali forme di vita. La domanda è: dove sono localizzate queste regioni e quali limiti esse pongono per un eventuale sviluppo di forme di vita? Oggi, Tsvi Piran della Hebrew University in Gerusalemme e Raul Jimenez presso la Harvard University a Cambridge hanno realizzato una serie di studi mirati a determinare quali regioni dell’Universo possano essere considerate “pericolose” a causa dei GRB. I risultati ottenuti forniscono, per la prima volta, una sorta di “mappatura delle zone abitabili” dell’intero Universo.

ALMA, verso l’esplorazione del buco nero della Via Lattea

The strong curvature of spacetime near a black hole produces a dark shadow surrounded by a bright photon ring. The shape of this shadow is roughly circular. Detecting the shadow of a black hole and establishing that it is indeed circular would constitute an observational test of general relativity. Credit: EHT

Grazie ad una serie di interventi effettuati al centro di calcolo dell’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) è stato possibile installare un orologio atomico ad elevata precisione che avrà lo scopo di migliorare le prestazioni del correlatore. Questo strumento permetterà ad ALMA di sincronizzarsi con una rete di altri radiotelescopi sparsi sul globo, nota anche come Event Horizon Telescope (EHT), per osservare ‘più da vicino’ il buco nero supermassiccio della nostra Galassia.

ALMA: ALMA Upgrade to Probe Supermassive Black Hole

Wormholes anzichè buchi neri nei nuclei galattici?

The center of our Galaxy, as seen in the radio. Credit: Farhad Zadeh, VLA, NRAO, APOD

E’ quanto sostengono due astrofisici, Zilong Li e Cosimo Bambi della Fudan University di Shanghai, in un articolo che hanno pubblicato di recente. Essi propongono una idea affascinante in base alla quale i buchi neri che riesiedono nei nuclei di quasi tutte le galassie attive potrebbero essere in realtà dei “portali”, meglio noti come “wormholes” o ponti di Einstein-Rosen, che puntano verso altre regioni del nostro Universo o di altri universi paralleli. Inoltre, essi spiegano come una tale idea potrà dimostrarsi vera o falsa grazie ad un nuovo strumento che sarà a breve installato presso un osservatorio dell’ESO in Cile.

G2 could reveal galactic ‘intermediate sized’ black holes

Expected number of stellar-mass BHs within G2 (with volume 2 x 10^10 pc^3) as a function of the location of G2 ([0,0] corresponds to Sgr A*). The dashed line indicates
the projected trajectory of G2.
Credit: Bartos et al.

Un gruppo di ricercatori della Columbia University hanno pubblicato un articolo su Physical Review Letters in cui viene suggerito che il moto della nube di gas “G2”, che si trova nelle vicinanze del centro galattico, possa rivelare dei buchi neri che non sono stati ancora identificati. Inoltre, si ritiene che il moto della nube possa portare ad una evidenza diretta riguardante l’esistenza di buchi neri di massa intermedia.

G2, a massive cloud of gasses three times the size of Pluto’s orbit (but just 3 times the mass of Earth) was discovered moving through our galaxy two years ago by researchers at the Max Planck Institute. After noting its projected path, the researchers at Columbia have found that it will likely pass through a region of space that is thought to harbor as many as 20,000 small black holes (a single massive black hole is believed to exist at the center of our galaxy). They suggest that researchers here on Earth might be able to actually see the interaction between the gas cloud and any black holes that are encountered. As the gas cloud comes near a black hole, they believe some of the gas will begin to spiral as it’s pulled in by its gravity. That, they say, should cause a lot of heat to be expelled and X-ray light to be emitted, enough to be observable using X-ray telescopes. They go so far as to estimate that researchers might be able to see evidence of as many as 16 interactions. More exciting to some in the field, is the possibility that the movement of G2 through our galaxy may give direct evidence of what are known as intermediate sized black holes, believed by some to be several times the mass of our Sun. To date, their existence is purely theoretical. If G2 comes across one, and interacts with it, the event could prove that they really do exist. They, like the many small black holes in the Universe, are believed to reside near the center of the galaxy, which is where G2 is heading. The researchers estimate it will reach the best position for study this September, giving researchers plenty of time to prepare. One unknown attribute of G2 could throw a wrench into the project, however the density of the gas cloud is not yet known. If it’s not dense enough, any interactions with a black hole may not create enough light to be seen from Earth.

arXiv: G2 can Illuminate the Black Hole Population near the Galactic Center

Forti indizi di materia scura ‘leggera’ nel centro galattico

C’è una strana ‘emissione’ nel centro galattico ed esistono forti evidenze che si tratti di materia scura ‘leggera’ che sta per esaurirsi. Allo stesso tempo, alcuni rivelatori sotterranei ultra sensibili stanno cercando degli indizi sull’esistenza di particelle simili. La maggior parte dei teorici ritiene che le WIMPs siano le particelle più probabili che compongono la materia scura e che annichilando, quando collidono, producono una pioggia di radiazione di alta energia. Il telescopio spaziale Fermi sta scandagliando il cielo per rivelare la presenza di eccessi anomali di raggi-gamma che provengono dal centro della Via Lattea e dove ci aspettiamo che sia maggiormente concentrata la materia scura. L’anno scorso, gli scienziati esclusero un segnale attorno a 130 GeV come risultato della collisione di particelle di materia scura. Tuttavia, ne esiste un altro rivelato nel 2010, sempre da Fermi, per cui si calcola un limite alla massa delle particelle candidate attorno a 10 GeV (post).

Quel segnale è stato in parte dibattuto perchè è stato osservato molto vicino al nucleo della nostra galassia, una regione densa di gas ad alta temperatura dove avvengono fenomeni violenti, come la nascita di nuove stelle ed esplosioni stellari in prossimità del buco nero supermassiccio. Inoltre, una possibile spiegazione è stata quella di considerare le pulsar, cioè stelle di neutroni in rapida rotazione, come sorgenti di alta energia. Ora, però, i nuovi dati di Fermi permettono di avere una maggiore chiarezza per affermare che il segnale sia davvero il risultato della presenza di materia scura. Il gruppo di Dan Hooper e Tracy Slatyer dell’Institute for Advanced Study in Princeton hanno trovato che il segnale è talmente distante dal nucleo galattico che risulta improbabile il fatto che i raggi gamma siano prodotti nel caos di quelle regioni. In un altro articolo, Hooper e Slatyer affermano che le pulsar non sono gli oggetti più adatti per spiegare l’emissione di alta energia. Infatti, nessuna delle 37 pulsar di cui è stato analizzato lo spettro producono un segnale equivalente a 10 GeV e nemmeno il loro numero è sufficiente per generare l’eccesso di radiazione misurato. I rivelatori di particelle sotterranei mostrano alcuni indizi sul fatto che sia possibile generare un segnale di 10 GeV. Questi esperimenti hanno lo scopo di misurare la luce ed il calore che vengono emessi quando le particelle di materia scura collidono con i nuclei degli atomi, come il germanio ed il silicio, del rivelatore (post). Alcuni esperimenti, come XENON-10 e XENON-100, escludono un segnale di 10 GeV, anche se alcuni scienziati suggeriscono che questi risultati devono essere rivisti e aggiustati. C’è poi chi ritiene che l’eccesso di raggi-gamma possa provenire da qualche altra regione del cielo, per esempio dalle galassie nane che possiedono una grande quantità di materia scura e non stelle di grande massa, ma ciò renderebbe l’interpretazione stessa dell’esistenza di materia scura un paradigma piuttosto che una curiosità. Dunque, se riuscissimo ad eliminare in qualche modo il cuore della Via Lattea, allora sarebbe molto più facile individuare i raggi-gamma dal processo di annichilazione delle particelle di materia scura. Fermi, e altri telescopi, stanno eseguendo lunghe campagne osservative di galassie nane e poichè sono molto deboli si tratta di un processo che può richiedere diversi anni prima che i dati di queste misure siano disponibili. Oggi, esiste qualche dubbio in merito alla rivelazione diretta perchè le particelle di materia scura che hanno una massa di 10 GeV si trovano all’estremità dell’intervallo di misure che il rivelatore CDMS-II è in grado di osservare. Ciò implica che i tre eventi che sono stati annunciati di recente possano essere puramente rumore. La conferma potrebbe arrivare in maniera indipendente tra qualche mese quando saranno disponibili i primi risultati dell’esperimento LUX (post), che è una versione più grande del rivelatore XENON. LUX è talmente sensibile che se ci sarà qualche particella con una massa compresa nell’intervallo 8-10 GeV allora essa sarà quasi sicuramente osservata, almeno così si spera.

arXiv: Two Emission Mechanisms in the Fermi Bubbles: A Possible Signal of Annihilating Dark Matter

arXiv: Pulsars Cannot Account for the Inner Galaxy's GeV Excess

arXiv: The unbearable lightness of being: CDMS versus XENON

arXiv: Connecting Direct Dark Matter Detection Experiments to Cosmologically Motivated Halo Models

Le strutture galattiche osservate da Fermi potrebbero essere spiegate dalla presenza di materia scura

Gli astrofisici Dan Hooper, del Fermi National Accelerator Laboratory, e Tracy Slatyer, della Princeton University, hanno pubblicato un articolo in cui viene suggerito che i due giganteschi flussi di particelle cariche provenienti dal centro della Via Lattea potrebbero essere in parte dovuti alle collisioni che avvengono tra le particelle di materia scura come risultato della loro annichilazione (post1; post2).

La materia scura è quella componente misteriosa invisibile che rappresenta quasi l’84% di tutta la materia che esiste nell’Universo. Nessuno sa quale sia la sua origine o natura anche se essa esercita i suoi effetti di tipo gravitazionale sulla materia ordinaria. I due ricercatori ritengono che i due flussi di particelle cariche che si dipartono dal centro galattico in direzioni opposte rispetto al piano del disco potrebbero essere attribuiti alle collisioni che avvengono tra le particelle di materia scura determinando la loro annichilazione e la conseguente creazione dei mattoni fondamentali della materia ordinaria attraverso l’emissione di particelle cariche. Note con il termine Fermi bubbles, si tratta di flussi di raggi-gamma che viaggiano a quasi un milione di metri/sec e formano due strutture a forma di lobi nella parte settentrionale e meridionale rispetto al piano del disco galattico. Inoltre, si ritiene che parte di questi raggi-gamma siano associati alla presenza del buco nero supermassiccio che risiede nel nucleo della Via Lattea. Allo stesso modo, parte dei raggi-gamma sono dovuti al materiale che viene spazzato quando si formano le supernovae. Ma presi insieme, le sorgenti che sono state identificate non sono sufficienti a giustificare il flusso osservato. Secondo i due ricercatori, ciò è dovuto al fatto che parte dei raggi-gamma sono dovuti alle particelle che costituiscono la materia scura e che si muovono le une contro le altre interagendo durante il processo. In questo modo, l’interazione dà luogo alla produzione di leptoni del tipo tau (tauoni) e all’emissione di raggi-gamma. Questo modello darebbe perciò credito all’esistenza della materia scura.

ABC Science: Monster bubbles evidence of dark matter?

arXiv: Two Emission Mechanisms in the Fermi Bubbles: A Possible Signal of Annihilating Dark Matter

KM3NeT, un gigantesco rivelatore di neutrini

Illustrazione artistica del telescopio KM3NeT. Credit: M. Kraan/KM3NeT Consortium.

Il progetto KM3NeT rappresenta la seconda struttura più grande mai costruita dall’uomo dopo la Grande Muraglia e, in altezza, dopo il Burj Khalifa. Essa servirà per studiare i neutrini e rivelare la presenza della materia scura. Il programma scientifico vede la collaborazione di una quarantina di istituti provenienti da vari paesi e sorgerà nelle profondità del Mar Mediterraneo. “Le particelle di alta energia che arrivano a terra dalle sorgenti più distanti sono i neutrini” spiega Giorgio Riccobene dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn). “Dunque, studiare i neutrini ci permette di esplorare indirettamente l’Universo più violento è più remoto“. Il rivelatore KM3NeT sarà in grado di guardare anche verso il centro galattico per rivelare la presenza di neutrini che potrebbero fornire indizi fondamentali per lo studio della materia scura.

Un ‘guscio di stelle’ nell’alone galattico

Grazie ad una serie di osservazioni profonde e dettagliate dell’alone galattico, realizzate mediante il telescopio spaziale Hubble, gli astronomi hanno trovato alcuni indizi della possibile esistenza di una ‘sfera di stelle’ che potrebbero essere i resti del ‘cannibalismo‘ della nostra galassia.

Hubble è stato utilizzato, per la prima volta, per misurare in maniera accurata i moti associati ad un campione di stelle situate ad enormi distanze rispetto al centro galattico. Il loro movimento laterale insolito rappresenta una evidenza circostanziale che le stelle potrebbero essere i resti di una galassia che venne, per così dire, ‘divorata’ dalla Via Lattea alcuni miliardi di anni fa. La presenza di queste stelle supporta l’idea in base alla quale la nostra galassia si è evoluta, in parte, attraverso l’accrescimento di galassie più piccole. Queste stelle situate nelle regioni più periferiche della Galassia portano con sé le tracce di quegli eventi accaduti molto tempo fa. Inoltre, esse offrono una nuova opportunità per misurare la ‘massa mancante’ che si trova sottoforma di materia scura. In altre parole, la Via Lattea rappresenta il luogo ideale e il più vicino per studiare la sua storia e la sua evoluzione. Alis Deason dell’University of California a Santa Cruz e Roeland van der Marel dello Space Telescope Science Institute (STScI) a Baltimora, hanno analizzato 13 stelle che si trovano a circa 80 mila anni-luce dal centro galattico cioè in quella regione dell’alone più esterno in cui sono presenti stelle vecchie che risalgono alla formazione della Via Lattea. Gli scienziati sono rimasti sorpresi quando hanno misurato i moti delle stelle trovando una quantità diversa rispetto a quella attesa. Questo movimento, tangenziale, è diverso da quello che caratterizza le stelle note in prossimità del Sole, che è sostanzialmente di tipo radiale. Le stelle che si muovono in queste orbite si dirigono verso il centro galattico e poi tornano indietro. Le stelle che si muovono lungo la tangente, per così dire, si giustificano se si ammette l’esistenza di una maggiore densità di stelle a circa 80 mila anni-luce, un pò come le macchine che si accodano in una autostrada. Insomma, questa sorta di ‘traffico stellare’ potrebbe dar luogo ad una struttura a forma di sfera o di guscio così come viene osservata attorno ad altre galassie. Il prossimo passo sarà ora quello di derivare un quadro molto più chiaro della storia evolutiva della nostra galassia. Infine, studiando le orbite e i movimenti delle stelle presenti nell’alone galattico sarà possibile calcolare in maniera più accurata la distribuzione della massa della Via Lattea, che è dominata dalla materia scura, e si potrà verificare se il valore ottenuto è consistente con quello previsto dalle teorie sulla formazione delle strutture cosmiche.

UC Santa Cruz: Stellar motions in outer halo shed new light on Milky Way evolution

arXiv: The Velocity Anisotropy of Distant Milky Way Halo Stars from Hubble Space Telescope Proper Motions