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Un, due, tre stella….anzi no, buco nero!

Helical jets from one supermassive black hole caused by a very closely orbiting companion (see blue dots). The third black hole is part of the system, but farther away and therefore emits relatively straight jets. Credit: Roger Deane (large image); NASA Goddard (inset bottom left; modified from original)

Un gruppo di ricercatori guidati da Roger Dean della University of Cape Town in collaborazione con il gruppo dell’University of Cambridge hanno esaminato sei sistemi dove si riteneva esistessero due buchi neri supermassicci. Il fatto sorprendente è che uno di questi sistemi, che si trova in una galassia distante più di 4 miliardi di anni-luce, contiene ben tre buchi neri supermassicci due dei quali orbitano uno attorno all’altro come nel caso di un sistema stellare binario. La scoperta indica che siamo di fronte alla configurazione più stretta ed estrema ad oggi nota e che non si tratta di un caso raro. Questo trio di buchi neri potrebbe fornire preziosi indizi per lo studio delle onde gravitazionali, cioè quelle perturbazioni dello spaziotempo previste dalla relatività generale. Le osservazioni sono state realizzate con la tecnica dell’interferometria a lunghissima linea di base (VLBI) il cui potere esplorativo ci permette di vedere dritti in profondità nel cuore delle galassie.

University of Cambridge: Black hole trio holds promise for gravity wave hunt 

Nature: A close-pair binary in a distant triple supermassive black hole system

arXiv: A close-pair binary in a distant triple supermassive black-hole system

Le ‘collisioni galattiche’ rendono le galassie più dense

Grazie al fenomeno della lente gravitazionale, un gruppo di astronomi dell’Università dello Utah hanno scoperto che i nuclei delle galassie più massicce stanno diventando sempre più densi, una evidenza dovuta a collisioni (merging) tra galassie ripetute nel corso del tempo.

“Abbiamo osservato che durante gli ultimi 6 miliardi di anni la materia che forma le galassie ellittiche più massicce si sta concentrando verso i nuclei di queste galassie” spiega Adam Bolton investigatore principale di questo studio. “Ciò suggerisce che le galassie più grandi si stanno scontrando con altre galassie per formare sistemi ancora più grandi. C’è da dire che altri studi recenti hanno messo in evidenza che queste galassie gigantesche diventano sempre più grandi principalmente a causa dell’interazione gravitazionale con galassie più piccole. Noi, invece, stiamo dicendo che le collisioni titaniche tra queste galassie sono altrettanto importanti come quelle dovute al merging con galassie più piccole”. Gli astronomi hanno analizzato 79 lenti gravitazionali, grazie alle immagini della Sloan Digital Sky Survey-III, del telescopio di 2,5 metri dell’Apache Point Observatory e del telescopio spaziale Hubble, e hanno studiato l’anello di luce di una galassia distante quando viene distorto dalla gravità dovuta ad una galassia interposta lungo la linea di vista. La dimensione dell’anello di luce fornisce la massa di ogni galassia mentre la velocità delle stelle è stata utilizzata per calcolare la distribuzione della massa in ogni galassia.

[Press release: When Galaxies Eat Galaxies]

ArXiv: The BOSS Emission-Line Lens Survey. II. Investigating Mass-Density Profile Evolution in the SLACS+BELLS Strong Gravitational Lens Sample

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

L’Universo delle origini attraversò una fase di ‘surriscaldamento globale’

Circa 11 miliardi di anni fa, l’Universo attraversò una fase di riscaldamento globale. Come conseguenza di ciò, l’attività dei buchi neri influenzò l’evoluzione di alcune galassie di piccole dimensioni per un periodo di circa 500 milioni di anni. Questa è la conclusione di un gruppo di astronomi che hanno utilizzato i dati del telescopio spaziale Hubble esplorando le regioni più antiche e più remote del nostro Universo.

La figura mostra l’evoluzione dell’Universo dal Big Bang ad oggi. Subito dopo la nascita dell’Universo la radiazione proveniente dalle prime stelle riscaldò gli atomi di idrogeno nel processo di reionizzazione. Ad epoche successive i quasar, grazie all’intensa attività dei buchi neri, produssero radiazione ultravioletta che rionizzò gli atomi di elio.
Credit: NASA, ESA e A. Feild (STScI)

Grazie alle misure effettuate con lo spettrografo COS (Cosmic Origins Spectrograph), i ricercatori hanno identificato una epoca, 11,7-11,3 miliardi di anni fa, quando gli atomi di elio persero, per così dire, gli elettroni. Questo processo di ionizzazione riscaldò il gas intergalattico inibendo il collasso gravitazionale che avrebbe portato alla nascita di nuovestelle nelle galassie più piccole, diffondendo il gas nello spazio. L’Universo attraversò così una fase di riscaldamento globale nel momento in cui la radiazione emessa dalle stelle massicce ionizzò gli atomi di idrogeno subito dopo il Big Bang. Questa epoca viene chiamata di re-ionizzazione a causa del fatto che i nuclei degli atomi di idrogeno si trovavano originariamente in uno stato ionizzato appena nato l’Universo.

Hubble ha permesso di determinare un periodo di circa 2 miliardi di anni prima che l’Universo producesse radiazione ultravioletta per rionizzare gli atomi di elio che erano stati prodotti in seguito al Big Bang. Ma questa radiazione di alta energia non proveniva dalle stelle bensì dai quasar. Di fatto, l’epoca in cui gli atomi di elio vennero ionizzati coincide proprio con il periodo in cui i quasar furono più abbondanti.

In altre parole, durante le epoche primordiali l’Universo fu un posto alquanto “rumoroso”, potremmo dire, perchè le galassie interagivano frequentemente e questo alimentava l’attività dei buchi neri nucleari. Questi ultimi convertivano rapidamente e violentemente parte dell’energia gravitazionale, dovuta alla caduta del gas verso le regioni del nucleo galattico, in radiazione ultravioletta che successivamente avrebbe fatto brillare le galassie. Inoltre, essa riscaldò il gas intergalattico formato principalmente da atomi di elio e una volta che essi vennero rionizzati il gas si raffreddò nuovamente e finalmente le galassie nane cominciarono ad assemblarsi.

ArXiv1: COSMIC ORIGINS SPECTROGRAPH DETECTION OF Ne VIII: TRACING WARM – HOT GAS TOWARDS PKS 0405 − 123

 ArXiv2: HUBBLE/COS OBSERVATIONS OF THE QUASAR HE 2347−4342: PROBING THE EPOCH OF He II PATCHY REIONIZATION AT REDSHIFTS Z = 2.4 − 2.9