Archivi tag: dischi di accrescimento

Una nuova classe di nuclei galattici attivi?

Con il termine blazar si definisce un nucleo galattico attivo contenente un buco nero supermassiccio e che, in accordo ai modelli unificati, ha il getto relativistico allineato con la linea di vista dell’osservatore. Questi oggetti emettono una radiazione di alta energia, principalmente raggi-gamma, che risulta centinaia di milioni di volte superiore a quella che è in grado di rivelare l’osservatorio per raggi-X Chandra. Altre caratteristiche riguardano l’emissione totale che varia drammaticamente con il tempo e la loro estrema luminosità nella banda radio.

Si ritiene che la violenta attività osservata nei blazar sia associata alla caduta di materia in prossimità del buco nero, un fenomeno che dà luogo all’emissione di getti relativistici di particelle energetiche che si muovono all’interno di due coni perpendicolari al disco di accrescimento. L’elevata emissione registrata sottoforma di raggi-X e raggi-gamma, l’intensa emissione radio e la variabilità estrema sono spiegati come un caso fortuito di allineamento di uno dei due getti con la linea di vista. Un gruppo di ricercatori del Center for Astrophysics (CfA) hanno pubblicato di recente un articolo dove presentano un nuovo metodo per studiare questa particolare classe di nuclei galattici attivi. E’ stato osservato che l’emissione nella banda degli infrarossi, così come è stata misurata dal satellite Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), è così insolita che questi oggetti non possono essere altro che blazar. Attualmente, si conoscono più di 1800 sorgenti di raggi-gamma. Di queste, circa un terzo sono alquanto enigmatiche dato che la loro distribuzione spaziale non permette di associarle ad una determinata categoria di galassie che possono essere identificate con i telescopi. Invece, circa metà delle sorgenti di raggi-gamma non identificate potrebbero essere blazar che emettono nella banda dell’infrarosso e che potrebbero essere studiate in dettaglio da WISE. In particolare, una sorgente non identificata ha mostrato di recente un flare di raggi-gamma allertando immediatamente i ricercatori al fine di identificare la sua controparte ottica e capire se può essere associata ad un blazar. Nel loro articolo, i ricercatori affermano che la sorgente non è associata ad alcun oggetto noto: in più, essa non presenta emissione radio, non mostra una elevata variabilità e nonostante si tratti di una sorgente di raggi-X la forma dello spettro di energia non è compatibile con quella tipica dei blazar. Si ritiene che una galassia vicina possa essere la sua controparte ottica che emette raggi-gamma mentre altri candidati mostrano decisamente caratteristiche diverse. Se la sorgente identificata da WISE risulterà, di fatto, la controparte da associare alla sorgente di raggi-gamma, la mancanza di emissione radio implica che si tratti di una nuova classe di nuclei galattici attivi. Se, invece, non si tratta della sua controparte, la mancanza di emissione radio rappresenta ancora un mistero per quanto riguarda la natura dei blazar. Insomma, per risolvere l’enigma astrofisico occorreranno ulteriori osservazioni.

[Press release: A New Class of Extragalactic Objects]

I buchi neri giganti dell’Universo delle origini

ULASJ1234+0907

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Cambridge hanno utilizzato le immagini nella banda dell’infrarosso di alcune survey del cielo condotte con il telescopio UK Infrared Telescope (UKIRT) situato nelle Hawaii per esplorare una nuova popolazione di buchi neri supermassicci che stanno evolvendo molto rapidamente e che risiedono nelle galassie più distanti. Questi oggetti non sono stati rivelati in precedenza dato che si trovano immersi all’interno di spessi strati di polvere e gas. I nuovi dati indicano che i buchi neri stanno emettendo una enorme quantità di energia grazie ad una serie di interazioni violente con la galassia ospite. L’oggetto più estremo, denominato con la sigla ULAS J1234+0907, è situato a circa 11 miliardi di anni-luce nella direzione della costellazione della Vergine. Il buco nero ha una massa di oltre 10 miliardi di masse solari, 10 mila volte superiore a quella del buco nero della Via Lattea, e si tratta di uno dei più grandi finora rivelati. I ricercatori ritengono che ci potrebbero essere almeno 400 buchi neri supermassicci di queste dimensioni appartenenti alle epoche primordiali della storia cosmica. Questi “mostri del cielo”, che risiedono principalmente nei nuclei delle galassie più massicce, vengono alimentati dalle violente collisioni che avvengono con altre galassie determinando la formazione di nuove stelle e fornendo “cibo” per i buchi neri. Queste violente collisioni producono un inviluppo di polvere e gas che avvolge i buchi neri per un breve periodo di tempo durante il quale essi vengono alimentati.

Markarian 231

Per fare un confronto con ULAS J1234+0907 nell’Universo locale, l’esempio più spettacolare è il buco nero della galassia Markarian 231 che si trova a circa 600 milioni di anni-luce. Le osservazioni realizzate con il telescopio spaziale Hubble hanno messo in evidenza il fatto che la galassia subì un impatto violento con un’altra galassia nel recente passato. ULAS J1234+0907 è la versione estrema di Markarian 231 e indica che le condizioni fisiche presenti nell’Universo delle origini erano molto più turbolente ed inospitali rispetto a quelle che esistono oggi.

ArXiv: Heavily Reddened Quasars at z~2 in the UKIDSS Large Area Survey: A Transitional Phase in AGN Evolution

Si stringe il cerchio attorno alla materia scura

Grazie ai risultati raccolti dopo due anni di osservazioni con il satellite Fermi Gamma-ray Space Telescope, gli astronomi hanno ulteriormente ristretto il cerchio attorno ad una ipotetica particella che potrebbe essere la miglior candidata per costituire la materia scura, quella misteriosa componente che rappresenta oltre l’80% di tutta la massa dell’Universo. Questo video della NASA, che mi piace mostrare oggi, presenta i risultati di questa ricerca.

Il telescopio spaziale Fermi è stato costruito per cercare raggi gamma deboli che vengono generati da una varietà di sorgenti, come ad esempio il gas e le polveri che formano i dischi di accrescimento attorno ai buchi neri o alle supernovae. Ma un’altra potenziale fonte di raggi gamma è la materia scura. Anche se non sappiamo di cosa si tratti, uno dei principali candidati è una particella che ancora deve essere scoperta: si chiama WIMP e sta per Weakly Interacting Massive Particle, cioè particella massiccia che interagisce debolmente. In teoria, quando due particelle wimp si incontrano, esse prima annichilano e poi generano raggi gamma.  Inoltre, si ritiene che esistano ‘varie versioni’ di wimp con masse differenti e che dovrebbero dar luogo a raggi gamma di diverse energie. Grazie al telescopio Fermi, gli astronomi hanno analizzato 10 piccole galassie satelliti che orbitano attorno alla Via Lattea alla ricerca di segnali gamma relativi ad uno specifico intervallo di energie. I dati indicano che non esistono evidenze di processi di annichilazione tra queste particelle e ciò esclude l’esistenza almeno di una classe di wimp come particelle candidate della materia scura.

Un ‘flash’ di radiazione come segnale caratteristico del merging di due buchi neri

Secondo la teoria della relatività generale, quando due corpi celesti dotati di massa interagiscono, ad esempio due stelle o due buchi neri, si ha la produzione di onde gravitazionali, cioè distorsioni nel tessuto dello spaziotempo, che si propagano nel vuoto alla velocità della luce (vedasi questo post). Nonostante gli astronomi abbiano trovato alcune evidenze indirette di questo fenomeno, rivelare le onde gravitazionali rimane un processo alquanto complesso. Gli osservatori terrestri che sono stati realizzati a questo scopo stanno oggi convergendo verso l’acquisizione di sensibilità sempre maggiori e qualche scienziato è convinto che la possibilità di ‘catturare’ le onde gravitazionali è solo una questione di pochi anni.

Una caratteristica delle onde gravitazionali è che oscillano così lentamente che diventa assai difficile rivelarle con gli osservatori terrestri. Gli scienziati hanno bisogno di strumenti posti in orbita nello spazio, come il progetto denominato Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Prima, però, che sia realizzato un progetto di questo tipo, un gruppo di astrofisici della NASA sta tentando di guardare oltre. I ricercatori stanno, di fatto, realizzando una serie di simulazioni numeriche per descrivere la collisione di due buchi neri supermassicci al fine di capire che tipo di flash o lampo luminoso potrà essere osservato dai telescopi associato a tale evento. “I buchi neri orbitano l’uno attorno all’altro e man mano perdono energia orbitale. Questo processo causa emissione di onde gravitazionali e come conseguenza di ciò le orbite si restringono. Con il passare del tempo, alla fine i buchi neri andranno in collisione” spiega John Baker. In prossimità di questi processi titanici, lo spaziotempo viene continuamente deformato e ciò causa la formazione di onde gravitazionali che si propagano nell’Universo, analogamente alle onde che si formano e si propagano sulla superficie di uno stagno quando viene lanciato un sasso. Se da un lato le onde gravitazionali forniscono delle informazioni sulla natura dei corpi celesti che le hanno generate, dall’altro non ci permettono di determinare la posizione esatta della sorgente. Quindi, per studiare l’evento che porta alla collisione (merging) di due buchi neri, gli astronomi hanno bisogno di registrare un segnale caratteristico, un flash di luce appunto, che può essere rivelato sottoforma di onde radio fino ai raggi-X. Questo evento permette ai telescopi di localizzare la galassia ospite in cui avviene il fenomeno del merging. Dal 2010, vari studi hanno suggerito che durante la collisione di due buchi neri si ha un burst di radiazione ma nessuno sapeva se l’emissione di questa intensa luce concentrata in un brevissimo intervallo di tempo avvenisse effettivamente e fosse abbastanza potente da essere rivelata dai nostri telescopi. Per esplorare il problema in dettaglio, un gruppo di ricercatori guidati da Bruno Giacomazzo dell’Università del Colorado a Boulder hanno sviluppato alcuni programmi di simulazioni numeriche per vedere ciò che accade al plasma durante gli stadi finali del processo di merging. “Abbiamo considerato due casi in cui nel gas del disco di accrescimento sia presente o meno un forte campo magnetico. Nel primo caso, applicando le equazioni della magnetoidrodinamica per simulare le complesse interazioni elettriche e magnetiche soggette al campo gravitazionale descritto dalle equazioni della relatività generale, la parte interessante è che durante le ultime tre orbite, prima del merging, il campo magnetico iniziale del disco di accrescimento aumenta di un fattore 100 e il buco nero che viene fuso rimane circondato da un disco di accrescimento più sottile, più denso e più caldo, rispetto al caso in cui non c’è campo magnetico nel gas del disco” spiega Giacomazzo. Ma la cosa più importante che avviene durante il processo, sempre nel caso in cui esista il campo magnetico nel gas del disco, è la formazione di una struttura a forma di tunnel che si estende nelle regioni più esterne del disco di accrescimento in prossimità del buco nero che si è ormai fuso. “Questa è esattamente la struttura a forma di getto che si osserva nei nuclei galattici attivi” afferma Giacomazzo. L’aspetto più importante che emerge dallo studio è la luminosità del flash. I ricercatori trovano che nel caso in cui esista il campo magnetico nel gas del disco, l’emissione di radiazione è circa 10 mila volte più potente rispetto a quella prevista da studi precedenti che non considerano gli effetti del plasma nei dischi di accrescimento. Naturalmente, per essere certi della collisione di due buchi neri avremo bisogno della formazione di onde gravitazionali e se poi saremo in grado di interpretare bene quei segnali caratteristici del processo di merging, come ad esempio il flash luminoso, allora potremo forse studiare qualche evento ancora prima che siano realizzati opportuni rivelatori spaziali di onde gravitazionali.

ArXiv: General Relativistic Simulations of Magnetized Plasmas around Merging Supermassive Black Holes

M87, le prime misure dirette del disco di accrescimento attorno al buco nero

Nel linguaggio degli astronomi il cosiddetto “punto di non ritorno” di un buco nero indica quella superficie ideale, meglio nota come orizzonte degli eventi, dove l’attrazione gravitazionale è così intensa che nemmeno la luce riesce a sfuggire. Quei buchi neri supermassicci che possono raggiungere masse fino a qualche miliardo di masse solari risiedono principalmente nei nuclei delle galassie. La loro attività è così estrema al punto da influenzare l’intera galassia ospite.

Oggi, un gruppo di ricercatori del MIT’s Haystack Observatory hanno misurato per la prima volta il raggio di un buco nero che risiede nel nucleo di una galassia distante, ossia la distanza minima prima della quale la materia viene attratta inesorabilmente dal buco nero. Per derivare questa misura, gli astronomi si sono serviti del cosiddetto  Event Horizon Telescope (EHT) un telescopio speciale in grado di osservare dettagli estremamente piccoli fino a 2000 volte superiori rispetto al telescopio spaziale Hubble. Le osservazioni sono state condotte su M87, una galassia attiva situata a circa 50 milioni di anni-luce, che ospita un buco nero supermassiccio che ha una massa di 6 miliardi di volte superiore a quella solare. Grazie a questo strumento, i ricercatori hanno osservato la radiazione dovuta alla materia che cade verso il buco nero in prossimità dell’orizzonte degli eventi. “Una volta che la materia sorpassa l’orizzonte degli eventi essa non può più tornare indietro, è perduta per sempre. Si tratta di una porta d’uscita dal nostro Universo attraverso la quale non si torna indietro” dichiara Shep Doeleman, assistente al direttore del MIT Haystack Observatory. Le osservazioni realizzate dal gruppo di Doeleman hanno permesso di ricavare le dimensioni dell’orbita più interna del disco di accrescimento attorno al buco nero che risulta essere circa 5,5 volte il raggio dell’orizzonte degli eventi. Secondo le leggi della fisica, questo risultato suggerisce che il disco di accrescimento sta orbitando nella stessa direzione del buco nero e rappresenta la prima misura diretta che supporta alcune teorie su come i buchi neri alimentano i getti relativistici nei nuclei galattici attivi.

[Abstract: Jet-Launching Structure Resolved Near the Supermassive Black Hole in M87]

[Press release: Measuring the universe’s ‘exit door’]

Un buco nero ‘imprevedibile’

L’immagine ottica di Andromeda, nota anche come M31, è stata ripresa con la Digitized Sky Survey. I riquadri mostrano le immagini di Chandra relativamente ad una regione molto piccola della galassia. A sinistra le immagini sono state ottenute prima del Gennaio 2006 e a destra dopo Gennaio 2006. Prima del 2006, si notano bene tre sorgenti di raggi-X, assieme ad una sorgente più debole vicina al centro della foto. Dopo il 2006, appare invece una quarta sorgente, denominata M31* proprio al di sotto e a destra della sorgente centrale e che è stata prodotta dalla caduta di materia verso il buco nero centrale.
Credit: X-ray (NASA/CXC/SAO/Li et al.), Optical (DSS)

Per circa dieci anni, l’osservatorio spaziale per raggi-X Chandra ha eseguito una serie di osservazioni sulla galassia di Andromeda, realizzando un totale di quasi un milione di secondi. Questo database unico ha permesso agli astronomi di avere tante informazioni sul buco nero supermassiccio più vicino.

Così come accade per la Via Lattea, il buco nero in Andromeda è sorprendentemente quieto. “I buchi neri della Via Lattea e di Andromeda sono incredibilmente deboli” spiega Zhiyuan Li del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). “Queste due specie di ‘anti-quasar’ costituiscono dei veri e propri laboratori per lo studio dei dischi di accrescimento attorno ai buchi neri supermassicci“. “Abbiamo delle idee su ciò che sta accadendo in Andromeda ma la verità è che non conosciamo effettivamente i dettagli“, aggiunge Christine Jones del CfA. Questi risulati implicano che il comportamento irregolare e debole anche del buco nero della Via Lattea potrebbe essere caratteristico dei buchi neri supermassicci che osserviamo oggi.