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L’ambiente attorno ai buchi neri supermassicci

Presenti nei nuclei delle galassie, i buchi neri supermassicci sono determinanti per l’evoluzione delle stelle non solo grazie all’enorme e all’intensa attrazione gravitazionale che essi esercitano ma anche per la formazione dei getti relativistici che si diffondono nello spazio intergalattico.

“Durante la sua vita, un buco nero può emettere così tanta energia da superare quella dovuta a tutte le stelle della galassia”, spiega Roger Blandford direttore del Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology e membro dell’Accademia delle Scienze negli Stati Uniti. “I buchi neri hanno un impatto fondamentale sulla formazione e l’evoluzione delle galassie”. Per definizione, i buchi neri non sono osservabili dato che esercitano una enorme attrazione gravitazionale che persino la luce non è in grado di vincere. Gli scienziati acquisiscono le informazioni sui buchi neri andando a studiare gli oggetti che orbitano attorno ad essi: in particolare, le stelle e i dischi di accrescimento. Grazie a queste informazioni indirette, gli astronomi sono in grado di elaborare una serie di modelli numerici allo scopo di descrivere i fenomeni fisici che avvengono attorno a questi ‘mostruosi’ oggetti. “Tutti i test della relatività generale seguono le previsioni della teoria di Einstein nel limite in cui il campo gravitazionale è debole, come ad esempio nel nostro Sistema Solare”, dice Jonathan McKinney, un professore di fisica dell’University of Maryland a College Park. “Tuttavia, esiste un altro regime, e cioè quello del campo gravitazionale forte, dove diventa più complicato verificare le previsioni della relatività generale. I buchi neri rappresentano il ‘luogo’ dello spazio più estremo per fare questi test”. Assieme ai dischi di accrescimento, in cui la materia orbita nella parte più esterna e a noi visibile dell’orizzonte degli eventi, i buchi neri sono caratterizzati da due getti relativistici che emergono dalle regioni centrali in direzione perpendicolare al piano del disco di accrescimento. Qui la materia è presente sottoforma di plasma o gas ionizzato e viene espulsa, per così dire, fino a centinaia o migliaia di anni-luce nello spazio intergalattico. McKinney, Tchekhovskoy e Blandford hanno simulato numericamente la formazione dei dischi di accrescimento e dei getti relativistici trovando che essi tendono a diventare molto più distorti ed incurvati rispetto a quanto ipotizzato in precedenza, una conseguenza dovuta sia all’estrema forza di gravità del buco nero che alle intense forze magnetiche generate dalla sua rotazione. Il loro modello fornisce così nuovi indizi molto dettagliati che contribuiscono ad una nuova conoscenza in questo campo di ricerca. Le simulazioni sono state realizzate con i potenti supercomputer della National Science Foundation’s Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).


XSEDE: Journey to the Limits of Spacetime

arXiv: Alignment of Magnetized Accretion Disks and Relativistic Jets with Spinning Black Holes

I buchi neri supermassicci evolvono rapidamente

Image credit:Gabriel Perez Diaz

E’ quanto emerge da uno studio recente condotto da un gruppo di astronomi della Swinburne University of Technology, un risultato che non è come quello che ci si aspetta dagli attuali modelli. Di fatto, per diversi anni, gli scienziati hanno presa per buona la correlazione che esiste tra la massa dei buchi neri supermassicci, che risiedono nei nuclei delle galassie, e quella della rispettiva galassia ospite. Tuttavia, nuove osservazioni hanno rivelato un andamento alquanto diverso.

I buchi neri evolvono molto più velocemente di quanto pensassimo“, spiega il professor Alister Graham del Centro di Astrofisica e Supercalcolo. All’interno delle galassie vi è una sorta di competizione per accaparrarsi quanto più gas disponibile che servirà sia per la formazione di nuove stelle che per alimentare il buco nero centrale. Ora, per più di un decennio i principali modelli e teorie assegnavano una determinata frazione di gas per ogni processo, preservando il rapporto tra la massa del buco nero e quella della galassia. Ma un nuovo studio rivela che tale approccio deve essere modificato. “Ora sappiamo che ogni incremento pari a 10 volte la massa stellare della galassia è associato ad un incremento molto più grande, circa 100 volte, della massa del buco nero“, dichiara Graham. “Questi dati hanno implicazioni importanti per comprendere meglio l’evoluzione galassia-buco nero“. I ricercatori hanno anche trovato un comportamento opposto che esiste tra gli ammassi compatti di stelle che si osservano in prossimità delle regioni centrali nelle galassie più piccole e nelle galassie a disco come la Via Lattea. “Più piccola è la galassia e maggiore è la frazione di stelle presenti in questi densi ammassi compatti“, afferma Nicholas Scott. “Nelle galassie di massa inferiore gli ammassi stellari, che possono contenere fino a milioni di stelle, possono addirittura dominare sui buchi neri“. In precedenza si pensava che gli ammassi stellari contenessero una percentuale costante, circa lo 0,2%, della massa galattica. Questa ricerca sembra aver risolto un mistero astrofisico che ormai dura da qualche tempo. L’esistenza di buchi neri di ‘massa intermedia’, cioè con valori compresi tra quella di una singola stella e un milione di stelle, è stata considerata da sempre elusiva. I dati, invece, suggeriscono che le numerose galassie già contenenti un buco nero, anche se di massa sconosciuta, dovrebbero altresì possedere questi buchi neri di massa intermedia e che potrebbero essere abbastanza grossi da essere rivelati dai telescopi spaziali di una nuova generazione. “I buchi neri sono vere e proprie prigioni gravitazionali e detentori del destino di molti sistemi solari del passato“, dice ancora Graham. Gli astronomi hanno combinato le osservazioni del telescopio spaziale Hubble, del Very Large Telescope e del  telescopio Keck per creare il più grande insieme di galassie con un database di misure attendibili relative alla massa degli ammassi stellari e dei buchi neri supermassicci.



University of Swinburne press release: Black holes growing faster than expected

arXiv: The (black hole mass)-(host spheroid luminosity) relation at high and low masses, [...]

La ‘prima fotografia’ di un buco nero

Questa immagine a forma di mezzaluna rappresenta la simulazione migliore della regione in prossimità di Sgr A*, il buco nero supermassiccio che risiede nel nucleo della Via Lattea.
Credit: Kamruddin/Dexter

E’ noto che i buchi neri supermassicci risiedono nei nuclei delle galassie attive ma nessuno di essi è stato ‘osservato’ direttamente. Oggi, però, gli astronomi stanno cominciando a simulare una serie di immagini di quella che potrebbe essere la regione circostante il buco nero in prossimità dell’orizzonte degli eventi.

In particolare, alcuni ricercatori hanno trovato che l’immagine di un buco nero o, più precisamente, la regione che lo circonda in prossimità dell’orizzonte degli eventi, potrà avere una forma a ‘mezzaluna’ piuttosto che una forma a ‘blob’ così come viene spesso prevista dai modelli numerici. Naturalmente, i buchi neri sono invisibili per definizione dato che nemmeno la luce può sfuggire all’intensa forza gravitazionale. Tuttavia, l’orizzonte degli eventi, cioè quella regione ideale che definisce il ‘punto di non ritorno’, dovrebbe essere visibile a causa della radiazione emessa dalla materia che si accresce attorno al buco nero formando il cosiddetto disco di accrescimento. Un nuovo progetto scientifico, denominato Event Horizon Telescope, permetterà di raggiungere un elevato potere esplorativo, che altrimenti sarebbe troppo piccolo da ottenere, grazie ad una rete internazionale formata da diversi radiotelescopi sparsi sul globo. Questo strumento permetterà di realizzare una serie di immagini in prossimità dell’orizzonte degli eventi per cui gli astronomi si aspettano di ottenere la “prima immagine” entro i prossimi cinque anni. Dunque, cosa ci si aspetta? In realtà, secondo le recenti simulazioni realizzate da Ayman Bin Kamruddin e Jason Dexter, le immagini dovrebbero assomigliare a quelle di una mezzaluna piuttosto che avere la forma a blob che era stata simulata dai precedenti modelli. La forma a mezzaluna deriva dalla presenza del disco di accrescimento formato da polveri e gas che orbitano attorno al buco nero. Data la sua rotazione, il lato del disco che si muove verso l’osservatore a Terra diventa più luminoso a causa del ben noto effetto Doppler mentre il lato del disco che si allontana dall’osservatore appare più debole. Al centro della mezzaluna crescente vi è un cerchio scuro, chiamato l'”ombra del buco nero” che rappresenta effettivamente l’oggetto supermassiccio, mentre la luce risulta talmente deflessa a causa dall’intenso campo gravitazionale. Ora, dato che il modello a mezzaluna si adatta meglio ai dati ciò permette ai ricercatori di discriminare tra i diversi modelli che descrivono i processi fisici in prossimità dei buchi neri. In definitiva, gli astronomi sperano di ottenere le prime foto di Sagittarius A* in modo da misurare con precisione la massa del buco nero della Via Lattea e verificare direttamente l’esistenza dell’orizzonte degli eventi che, sebbene sia previsto dalle equazioni della relatività generale, nessuno lo ha mai osservato realmente.

Sw 1644+57, una stella in caduta libera verso un buco nero

Illustrazione artistica di ciò che gli astronomi ritengono sia stato il processo che ha determinato l'emissione di radiazione gamma nel momento in cui una stella viene distrutta dalla forza gravitazionale di un buco nero che risiede nel nucleo di una galassia a circa 3,8 miliardi di anni-luce. Credit: University of Warwick / Mark A. Garlick
Illustrazione artistica di ciò che gli astronomi ritengono sia stato il processo che ha determinato l’emissione di radiazione gamma nel momento in cui una stella viene distrutta dalla forza gravitazionale di un buco nero che risiede nel nucleo di una galassia a circa 3,8 miliardi di anni-luce.
Credit: University of Warwick / Mark A. Garlick

Secondo un gruppo di ricercatori della University of California, a Berkeley, un lampo di radiazione gamma (Gamma-Ray Burst, GRB), registrato dal satellite Swift, potrebbe essere stato dovuto alla morte di una stella mentre precipita verso un buco nero e viene distrutta.

Si tratta di un processo esplosivo molto diverso rispetto a quanto conosciamo” spiega Joshua Bloom. “Ciò che ha determinato il gamma-ray burst, denominato Sw 1644+57, va al di là di qualsiasi fenomeno che abbiamo studiato, sia per la sua lunga durata che per il fatto che proviene dal centro di una galassia. Ora, dato che quasi tutte le galassie contengono nel loro nucleo un buco nero super massiccio, è plausibile ritenere che un fenomeno di questo tipo sia associato con la distruzione di una stella che sta ‘precipitando’ verso il buco nero“. Il processo sta ancora continuando perché dato che il buco nero ha fatto a pezzi la stella, la sua massa continua a girare attorno al disco di accrescimento, un po’ come quando l’acqua del rubinetto scivola via nel lavandino, e questo processo libera una grande quantità di energia. Dall’analisi dei dati, i ricercatori suggeriscono che circa il 10% della massa della stella che sta precipitando verso il buco nero può essere convertita in energia e irradiata nello spazio dal disco di accrescimento sottoforma di raggi-X oppure può essere trasformata in raggi-X o raggi-gamma dal getto relativistico che è diretto verso la nostra linea di vista.

La figura mostra ciò che gli astronomi ritengono sia l'evoluzione della materia associata alla stella che sta precipitando attorno al disco di accrescimento che circonda il buco nero. Questo evento ha prodotto due getti di energia, perpendicolari al disco di accrescimento, uno dei quali punta verso la nostra linea di vista permettendoci così di rivelare la radiazione gamma di Sw 1644+57. Credit: University of Warwick / Mark A. Garlick
La figura mostra ciò che gli astronomi ritengono sia l’evoluzione della materia associata alla stella che sta precipitando attorno al disco di accrescimento che circonda il buco nero. Questo evento ha prodotto due getti di energia, perpendicolari al disco di accrescimento, uno dei quali punta verso la nostra linea di vista permettendoci così di rivelare la radiazione gamma di Sw 1644+57.
Credit: University of Warwick / Mark A. Garlick

Abstract: A Possible Relativistic Jetted Outburst from a Massive Black Hole Fed by a Tidally Disrupted Star

Cyg X-1, un buco nero ‘estremo’

Questa immagine di Cyg X-1, ottenuta nella banda dei raggi-X, è stata realizzata dal telescopio High Energy Replicated Optics (HERO), posto su un pallone sonda. Credit: NASA.
Questa immagine di Cyg X-1, ottenuta nella banda dei raggi-X, è stata realizzata dal telescopio High Energy Replicated Optics (HERO), posto su un pallone sonda.
Credit: NASA.

Scoperto nel 1964, Cygnus X-1 detiene il record della sorgente di raggi-X più potente che siamo in grado di osservare dalla Terra. La stella supergigante blu, designata con la sigla HDE 226868, è una stella massiccia che fa parte di un sistema stellare binario che emette raggi-X, l’altro oggetto è un buco nero. Situato a circa 6000 anni-luce, Cyg X-1 è stato per quasi 50 anni uno degli oggetti celesti maggiormente più studiati. La stella variabile, una super gigante blu, orbita attorno al buco nero ad una distanza pari a circa 1/5 della distanza che separa il Sole dalla Terra (circa 0,2 unità astronomiche) mentre i venti stellari contribuiscono ad accrescere il disco attorno alla sorgente di raggi-X. Inoltre, si osservano un paio di getti attraverso i quali la materia viene spazzata nel mezzo interstellare mentre più in profondità il materiale super caldo determina l’emissione di alta energia. La domanda è: saremo in grado di separare la stella dall’orizzonte degli eventi?


arXiv: The Extreme Spin of the Black Hole in Cygnus X-1

Il ‘rigurgito’ del buco nero della Via Lattea

Il buco nero della Via Lattea emette una quantità di energia molto bassa se paragonata alle sue dimensioni, quasi simile a quella del Sole, nonostante la sua massa sia circa 4 miliardi di volte superiore.

Tuttavia, gli astronomi hanno notato che quasi una volta al giorno, il buco nero entra in azione emettendo un breve burst di radiazione prima di ritornare ad una situazione di normalità. Non è ancora chiaro che cosa stia causando questi flare e gli scienziati stanno cercando di definire il loro andamento periodico in modo da comprendere, in generale, come evolvono i buchi neri supermassicci. Oggi, grazie ad una serie di osservazioni condotte con l’osservatorio per raggi-X Chandra, un gruppo di ricercatori del MIT, dell’Università di Amsterdam e dell’Università del Michigan hanno rivelato l’emissione più luminosa mai osservata da Sagittarius A*. Questo flare è 150 volte più brillante rispetto alla luminosità prodotta dal buco nero in condizioni di normale attività. Gli astronomi lo hanno osservato per più di un ora prima che svanisse e ritengono che sia un segnale caratteristico associato ai buchi neri più evoluti. Insomma, pare che queste improvvise emissioni di alta energia siano legate ad una sorta di ‘rigurgito’ da parte del buco nero che non riesce a consumare, per così dire, quell’eccesso di materia che cade verso il suo centro dal disco di accrescimento. Infine, dobbiamo dire che la fisica che sta alla base di questo fenomeno rimane ancora un mistero che gli scienziati tenteranno di svelare con ulteriori osservazioni. “Stiamo osservando la grande fuga del gas”, spiega Frederick K. Baganoff del MIT Kavli Institute, “si perché la maggior parte del gas sfugge dal buco nero e questo non è ciò che ci aspettiamo”.

[Press release: A burst of activity in the middle of the Milky Way]

arXiv: Chandra-HETGS Observations of the Brightest Flare Seen from Sgr A*

Due buchi neri ‘spravvissuti’ in Messier 82

L’immagine composita della galassia starburst M82 mostra in blu i dati di Chandra, in verde e arancione i dati di Hubble e i dati di Spitzer in rosso. Il riquadro è la foto di Chandra dove si evidenzia la regione centrale della galassia che contiene due sorgenti di raggi-X molto luminose.
Credit: Inset: X-ray: NASA/CXC/Tsinghua Univ./H. Feng et al.; Full-field: X-ray: NASA/CXC/JHU/D.Strickland; Optical: NASA/ESA/STScI/AURA/The Hubble Heritage Team; IR: NASA/JPL-Caltech/Univ. of AZ/C. Engelbracht

Una serie di dati ottenuti con l’osservatorio per raggi-X Chandra e dal satellite XMM-Newton evidenziano il fatto che due buchi neri di ‘medio formato’ si trovano molto vicini in prossimità delle regioni centrali di una galassia starburstM82, che si trova a circa 12 milioni di anni-luce. Questi due buchi neri “sopravvissuti” possono essere considerati come esempio di evoluzione dei buchi neri di massa superiore nei nuclei galattici, inclusa anche la nostra Via Lattea.

E’ noto che esistono due classi distinte di buchi neri: quelli di tipo stellare, che possono raggiungere fino a circa dieci volte la massa del Sole, e quelli cosiddetti supermassicci che si trovano nei nuclei delle galassie attive e le cui masse vanno da centinaia di migliaia fino a miliardi di volte la massa solare. Una delle domande a cui dare ancora una risposta è la seguente: cosa succede ai buchi neri che hanno masse intermedie alle due classi? Un possibile meccanismo che spiega la formazione dei buchi neri si basa su un processo di reazione a catena che vede coinvolte le collisioni di stelle negli ammassi stellari compatti, che producono stelle massicce che successivamente collasseranno per formare i buchi neri. Gli ammassi stellari si addensano verso le regioni centrali della galassia dove i buchi neri di massa intermedia fondono per dar luogo ad un oggetto supermassiccio. In questo scenario, gli ammassi che non sono abbastanza massicci o vicini al centro della galassia potrebbero, per così dire, sopravvivere così come alcuni buchi neri che essi contengono. L’evidenza relativa alla presenza di questi due buchi neri “sopravvissuti” proviene dall’analisi dell’emissione di raggi-X, che è variabile nel tempo, e dalla loro luminosità e dai spettri nella banda sempre dei raggi-X. Per uno di questi due buchi neri, i dati indicano una variabilità tipica dei buchi neri stellari che sono presenti nella Via Lattea. Utilizzando questi dati e i modelli, gli astronomi stimano una massa tra 12.000 e 43.000 volte la massa solare, sufficiente per produrre una radiazione di alta energia al punto da spazzare via il gas circostante. Il buco nero si trova a circa 300 anni-luce dal centro galattico in M82. Il secondo buco nero, che si trova invece a circa 600 anni-luce rispetto al centro della galassia, è stato osservato sia da Chandra che da XMM-Newton. L’emissione periodica di raggi-X è dominata da un disco di accrescimento costituito da gas caldo e i dati relativi alla sua massa indicano che si tratta di un buco nero candidato per essere di massa intermedia. I miglior modello applicato ai dati implica una massa tra 200 e 800 volte la massa solare e suggerisce il fatto che lo stesso buco nero è stato prodotto dai processi di collisioni stellari nell’ammasso stellare.

Esopianeti con moto orbitale retrogrado

Durante il RAS National Astronomy Meeting (NAM2010), è stata annunciata la scoperta di nove nuovi esopianeti che sono stati identificati con il metodo del transito. Quando queste osservazioni sono state confrontate con le precedenti, gli astronomi sono rimasti sorpresi di trovarne 6, su un campione formato da 27 pianeti, che orbitassero nella direzione opposta a quella della loro stella ospite, esattamente il contrario di ciò che accade nel Sistema Solare. La scoperta fornisce una informazione molto importante sulla teoria della formazione dei pianeti e suggerisce che nei sistemi stellari dove si formano pianeti di massa gioviana è molto improbabile trovare pianeti di massa terrestre.

I nuovi esopianeti scoperti da WASP insieme ai telescopi dell’ESO che inaspettatamente hanno moto retrogrado. In tutti i casi, la stella è mostrata in scala con il suo asse di rotazione che punta verso l’alto e i colori sono verosimili. Gli esopianeti si osservano nel momento del transito. L’ultimo oggetto, in basso a destra, viene rappresentato per confronto e la sua direzione del moto orbitale è, per così dire, “normale”.
Credit: ESO/A. C. Cameron

Questa scoperta rappresenta una vera bomba nel campo degli esopianeti” afferma Amaury Triaud del Geneva Observatory che, assieme a Andrew Cameron e a Didier Queloz, ha condotto la ricerca. Si ritiene, infatti, che i pianeti si formino nel disco di gas e polvere che ruota attorno alla giovane stella. Il disco protoplanetario ruota, di solito, nella stessa direzione in cui avviene il moto di rotazione della stella e, fino ad ora, ci si aspettava che anche i pianeti orbitassero nella stessa direzione in un piano contenente quasi tutte le orbite, come nel caso appunto del Sistema Solare. Ma sorprendentemente, quando i ricercatori hanno combinato i nuovi dati con le vecchie osservazioni essi hanno trovato che più della metà dei pianeti di grossa taglia hanno le orbite disallineate rispetto all’asse di rotazione delle rispettive stelle ospiti. Essi hanno addirittura trovato che sei esopianeti, di cui due sono di nuova identificazione, hanno moto retrogrado, cioè orbitano attorno alla stella nella direzione “sbagliata”. Per tener conto del moto retrogrado una teoria alternativa suggerisce che la presenza di pianeti gioviani in prossimità delle rispettive stelle non è dovuta alle interazioni con il disco di polvere bensì ad un lento processo di evoluzione che coinvolge una sorta di “braccio di ferro gravitazionale” con i pianeti, o anche con le stelle, più distanti nel corso di centinaia di milioni di anni di evoluzione. Una volta che queste interazioni hanno deviato un esopianeta gigante in una orbita più allungata e inclinata, esso comincia ad essere soggetto a effetti mareali, perde energia cinetica ogni volta che passa vicino alla stella. Alla fine del processo di interazione ci si aspetta di trovare il pianeta in una sorta di “orbita di parcheggio”, quasi circolare, anche se inclinata casualmente, vicino alla stella. “Uno, però, degli effetti più drammatici causati da questo esopianeta potrebbe essere quello di distruggere un pianeta di massa terrestre” conclude Queloz.