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I buchi neri ‘rotanti’ e la deformazione dello spaziotempo

Un gruppo internazionale di ricercatori, tra cui Gabriel Molina-Terriza della Macquarie University, a Sydney, hanno trovato che i buchi neri in rotazione possono lasciare una sorta di “impronta” sulla radiazione emessa e che viene poi rivelata a terra dai più moderni radiotelescopi. Ciò potrebbe essere di fondamentale importanza sia per comprendere ancora meglio come evolvono in generale le galassie ma anche come test per verificare la teoria generale della relatività.

La teoria della relatività generale ci dice che gli oggetti dotati di massa elevata, come i buchi neri, deformano lo spaziotempo al punto tale che la radiazione viene “piegata”, un fenomeno che dà luogo alla lente gravitazionale. La teoria prevede che un buco nero in rotazione “trascini” lo spaziotempo attorno ad esso, creando una sorta di vortice nel quale tutti gli oggetti fisici, inclusi i fotoni, sono costretti a seguire la rotazione. Gli astronomi hanno già trovato chiare evidenze che nei nuclei galattici attivi risiedono buchi neri supermassicci. Ma si tratta di una considerazione indiretta. Ad esempio, nel caso della Via Lattea, la rotazione del buco nero viene implicata dalla distribuzione delle velocità delle stelle e le misure sono, per così dire, “contaminate” dal fatto che non sappiamo quanta materia, in particolare quanta materia scura è presente nella nostra galassia. Fabrizio Tamburini dell’Università di Padova e colleghi hanno pubblicato i risultati di un lavoro di ricerca dove essi dimostrano come sia possibile rivelare la rotazione del buco nero andando a misurare le variazioni di luminosità associate ad una stella distante o al disco di accrescimento che circonda appunto il buco nero. Utilizzando alcune simulazioni al computer applicate al caso del buco nero della Via Lattea, i ricercatori hanno trovato che queste variazioni di luminosità potrebbero essere rivelate dagli strumenti a terra. Come? Puntando un insieme di radiotelescopi verso il centro della Galassia e poi sommando i vari contributi, ripetendo le osservazioni. Insomma, si tratta di un lavoro di fondamentale importanza, se pensiamo che gli oggetti più massicci dell’Universo possano ruotare, da cui ci aspettiamo di avere maggiori informazioni sull’evoluzione delle galassie.

[Abstract: Twisting of light around rotating black holes]

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

Cosa avviene in prossimità di un buco nero

Il disco di accrescimento ripreso da HST nella galassia attiva NGC 4261.
Credit: Hubble Space Telescope Science Institute

E’ quello che si sono chiesti alcuni ricercatori del Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg che hanno collaborato con i colleghi del Helmholtz Zentrum di Berlino utilizzando lo strumento chiamato BESSY II synchrotron X-ray source allo scopo di investigare ciò che succede in prossimità di un buco nero.

I buchi neri sono oggetti estremamente “voraci”. Essi catturano enormi quantità di materia sia dal gas che dalle stelle che orbitano nelle loro vicinanze. Man mano che la materia si accresce, essa alimenta il buco nero che diventa perciò più denso e massiccio, riscaldandosi fino a temperature dell’ordine di alcuni milioni di gradi Celsius. Prima che la materia scompaia definitivamente, essa produce una intensa emissione di raggi-X. Questo “ultimo respiro” si origina dal ferro, uno degli elementi che è contenuto nella proprio nella materia che sta per scomparire.

Per studiare i buchi neri è necessario osservarli in azione. La parte più interessante di questi processi è proprio quella che avviene prima che la materia scompaia definitivamente al di là dell’orizzonte degli eventi, cioè quella regione oltre la quale la gravità del buco nero è così elevata che nemmeno la luce riesce a sfuggire. Durante questo processo, la materia si trova in condizioni estreme e le forti turbolenze producono raggi-X che, a loro volta, eccitano alcuni elementi chimici presenti nella nube di materia in accrescimento. Quest’ultimo processo genera ancora raggi-X il cui spettro presenta righe di emissione, o “colori”, caratteristici. L’analisi di queste righe fornisce informazioni sulla densità, velocità e composizione chimica del plasma presente in prossimità dell’orizzone degli eventi. Un protagonista principale di questi processi estremi è il ferro. Sebbene non sia così abbondante come gli elementi più leggeri, come l’idrogeno e l’elio, il ferro è il miglior “assorbitore” e “riemettitore” di raggi-X. I fotoni più energetici che vengono generati dal processo si distinguono dagli altri perché possiedono un “colore” differente. Insomma, essi lasciano una sorta di “impronta” nello spettro della radiazione e si evidenziano sottoforma di righe intense: la cosiddetta riga K-alpha del ferro rappresenta una sorta di “segnale finale” della materia prima che essa sparisca definitivamente al di là dell’orizzonte degli eventi. Successivamente, i raggi-X vengono assorbiti una volta che essi interagiscono con il mezzo interstellare a distanze maggiori. Ancora una volta, il ferro lascia una “traccia” nello spettro. La radiazione ionizza gli atomi varie volte e il processo di fotoionizzazione strappa via, per così dire, più della metà dei 26 elettroni che contengono di solito gli atomi di ferro. Il risultato finale produce ioni altamente carichi che sono generati non dalle collisioni ma dalla radiazione incidente di alta energia.

E’ proprio questo processo che i ricercatori hanno riprodotto in laboratorio. Atomi di ferro sono stati portati ad alte temperature grazie all’emissione di un intenso fascio di elettroni così come sarebbero stati prodotti dal Sole o, in questo caso, nelle regioni dello spazio prossime al buco nero. I risultati ottenuti dall’esperimento hanno permesso di identificare un metodo che fornisce misure accurate in termini di risoluzione spettrale. Inoltre, l’esperimento si è rivelato estremamente importante perché permette di comprendere come si comporta la materia, o meglio il plasma, in quelle regioni dello spazio che circondano un buco nero o un nucleo galattico attivo.

[Abstract: Resonant and Near-Threshold Photoionization Cross Sections of Fe14+]