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M87, un buco nero della categoria ‘super massimi’

Illustrazione artistica di ciò che in futuro potrebbero osservare i telescopi nel cuore di M87. La presenza di un disco di accrescimento composto da gas e polveri che orbita attorno all’orizzonte degli eventi del buco nero. Il getto che si diparte verso l’esterno è fatto di plasma che non ha mai sorpassato l’orizzonte degli eventi e che invece ha prodotto un getto relativistico.
Credit: Gemini Observatory/AURA/Lynett Cook

M87, nota anche come Virgo A, è una galassia ellittica gigante che contiene un buco nero supermassiccio la cui massa, la più grande finora conosciuta e per cui si hanno misure ben precise, è pari a 6,6 miliardi di masse solari, superiore di gran lunga a quella del buco nero della Via Lattea il cui valore stimato della massa è di appena 4 milioni di masse solari.

Karl Gebhardt dell’University of Texas, Austin, afferma che l’orizzonte degli eventi, che si estende per circa 20 miliardi di chilometri, è circa quattro volte più grande dell’orbita di Nettuno, insomma il nostro Sistema Solare potrebbe essere tranquillamente contenuto. In precedenza, gli astronomi avevano stimato una massa di circa 3 miliardi di masse solari, dunque i risultati sono sorprendenti. Per determinare la massa del buco nero, i ricercatori hanno misurato la velocità delle stelle che orbitano in prossimità del buco nero, trovando che, in media, esse si muovono con una velocità di circa 500 Km/sec (per confronto, il Sole orbita attorno al centro della Via Lattea con una velocità di circa 200 Km/sec), ottenendo per la prima volta una stima alquanto accurata. Si ritiene che il buco nero di M87 abbia raggiunto le sue attuali dimensioni interagendo e fondendosi con altri buchi neri. La galassia ellittica gigante è uno degli oggetti attivi più vicini e più massicci e si crede sia il risultato della fusione di almeno 100 galassie più piccole.  Nonostante il buco nero si trovi a circa 50 milioni di anni-luce, si tratta comunque di un oggetto “vicino” in termini di distanze cosmologiche, dunque potrebbe essere il primo buco nero ad essere “direttamente” osservato. Il passo successivo sarà, ora, quello di realizzare una serie di osservazioni utilizzando simultaneamente vari telescopi su tutto il globo per avere maggiori informazioni sull’orizzonte degli eventi del buco nero di M87. Un altro obiettivo importante sarà quello di “pesare” un altro buco nero, che si trova nel nucleo di una galassia ad appena 3,5 miliardi di anni-luce, la cui massa viene stimata pari a circa 18 miliardi di masse solari.

Gli ‘esclusivi’ ed ‘elusivi’ buchi neri del CERN

Tutti hanno sentito parlare, almeno una volta, di buchi neri, ma allo stesso tempo credo che non tutti sanno che sono in definitiva i buchi neri. I media, sia che si tratti della stampa o della TV, inclusi spesso anche i blog scientifici, rendono spettacolari le notizie che riguardano questi oggetti esotici, tralasciando di solito la parte che riguarda la Fisica.

La proprietà essenziale di un buco nero è la sua massa. In natura, abbiamo evidenze osservative, non dirette, in base alle quali sappiamo che i buchi neri possono avere masse che vanno da qualche decina a qualche centinaia, milioni o ancora alcuni miliardi di volte la massa del Sole. Di frequente si trovano nei sistemi stellari binari che emettono raggi-X, si parla di buchi neri di ‘taglia stellare’, oppure sono presenti nei nuclei delle galassie attive, in questo caso si parla di buchi neri di ‘taglia galattica’, noti anche come buchi neri supermassicci. Da sempre, essi incutono un timore reverenziale dato che essendo ‘oggetti super densi e collassati’ (in realtà si tratta di singolarità gravitazionale), l’ultimo stadio dell’evoluzione stellare, la loro gravità è così intensa che “piega” in maniera estrema lo spaziotempo attorno ad essi al punto tale che qualsiasi cosa superi l’orizzonte degli eventi, una sorta di “punto di non ritorno”, niente può tornare indietro, nemmeno la luce. Per questo, noi non siamo in grado di osservarli direttamente e quello che vediamo sono solamente gli effetti che la materia, sia che si tratti di gas, polvere o stelle, o la radiazione subiscono quando passano nelle loro vicinanze. C’è da dire, però, che esiste un aspetto positivo a favore dei buchi neri, perché grazie, in parte, ad essi l’Universo è in evoluzione, la materia viene di fatto plasmata e forgiata per formare nuova materia. Certamente è pericoloso vivere in prossimità di un buco nero ma per ora almeno noi possiamo stare tranquilli dato che il più vicino alla Terra si trova a soli 50 milioni di anni-luce, un pò lontano perchè la Terra possa subire in qualche modo i suoi effetti gravitazionali.

Un esempio di un evento registrato presso il rivelatore CMS dell’LHC, il cui numero di getti è previsto dal Modello Standard. Questi eventi stanno alla base della ricerca di buchi neri microscopici quando vengono fatti collidere fasci di protoni ad altissime energie. Risultato: non è stata trovata alcuna evidenza della loro produzione che è stata così esclusa da vari modelli considerando un intervallo di masse di 3,5-4,5 TeV (1 TeV = 1012 electronvolt).
Credit: CMS-LHC/CERN

Se dallo spazio siamo sicuri che non avremo alcuna minaccia da parte di questi “mostri del cielo”, tuttavia da quando recentemente i fisici del CERN hanno acceso l’LHC esiste una certa preoccupazione, che sottolineo non è giustificata, dato che gli esperimenti relativi alle collisioni di fasci di particelle ad altissima energia potrebbero dar luogo alla formazione di buchi neri: vero, ma si tratta di oggetti microscopici. Questa possibilità è stata diffusa dai media suscitando un certo panico e clamore in quanto la creazione di buchi neri, che ripeto sono microscopici, potrebbe avere implicazioni importanti sul destino del nostro pianeta, magari “inghiottendolo”: semplicemente assurdo! Ma allora come stanno le cose? La formazione di buchi neri microscopici è prevista da alcuni modelli che tentano di unificare la relatività generale con la meccanica quantistica, postulando l’esistenza di ulteriori dimensioni extra spaziali che sono, però, “compattificate” rispetto alle tre dimensioni spaziali del mondo a noi familiare. Ad energie così elevate, come quelle che si realizzano presso l’LHC, questi modelli suggeriscono che le particelle possono collidere in maniera molto ravvicinata al punto da “percepire” le dimensioni spaziali extra. In questi casi, le particelle possono interagire gravitazionalmente con una intensità simile a quella delle altre tre forze della natura, l’interazione elettromagnetica e le interazioni forte e debole. Le due particelle che collidono possono formare un buco nero microscopico. L’esistenza di questi mini buchi neri fornirebbero dunque una prova dell’esistenza di altre dimensioni spaziali. Se questo si dimostrerà vero, allora alcuni gravitoni, le particelle che trasmettono la forza di gravità, dovrebbero “scomparire” in queste dimensioni extra, spiegando così il motivo per cui la forza di gravità è molto più debole rispetto alle altre tre forze. Tuttavia, nessun esperimento realizzato finora con CMS ha permesso di rivelare questi eventi esotici e ciò esclude la formazione di buchi neri microscopici  nell’intervallo di energie 3,5-4,5 TeV così come è previsto da tutta una serie di modelli che postulano l’esistenza di ulteriori dimensioni spaziali. Se, invece, si dimostrasse il contrario, il buco nero microscopico dovrebbe evaporare istantaneamente lasciandosi dietro una sorta di “scia distintiva” di particelle subatomiche che sarebbero rivelate dal CMS. Questi risultati non implicano che tali dimensioni extra non esistono, piuttosto potrebbe essere necessario realizzare esperimenti ad energie ancora più alte perciò ne consegue che se queste esistono sono più difficili da rilevare rispetto a quanto si ipotizzava.

Per concludere, godiamoci questo interessante video che mi è stato concesso in esclusiva da Paola Catapano, Science Communicator del CERN, che ha realizzato una intervista al fisico teorico Alvaro De Rujula il quale spiega come mai i buchi neri “fabbricati” al CERN sono in definitiva così divertenti [link al video].

L’Universo in un ‘buco di tarlo’

Una recente ipotesi teorica suggerisce che il nostro Universo risiedere all’interno di un “buco di tarlo”, o wormhole, che a sua volta sarebbe parte di un buco nero supermassiccio che si trova all’interno di un universo ancora più grande. Questo scenario in cui l’Universo è nato all’interno di un wormhole, altresì noto come ponte di Einstein-Rosen, è stato avanzato dal fisico teorico Nikodem Poplawski dell’Indiana University il quale, basandosi sulla geometria euclidea, ha costruito un modello per descrivere il moto geodetico di una particella nel campo gravitazionale di un buco nero.

Nello studiare il moto radiale attraverso l’orizzonte degli eventi relativo a due tipi di buchi neri, uno di tipo Schwarzschild e l’altro di tipo Einstein-Rosen, entrambi i quali rappresentano soluzioni matematiche della relatività generale, Poplawski ammette che solo un esperimento o una osservazione possono rivelare il moto di una particella che cade in un buco nero. Inoltre, egli afferma che dato che gli osservatori possono solamente vedere le regioni esterne di un buco nero, quelle più interne non possono essere osservate a meno che un osservatore non vi entri o non risieda all’interno di esso. “Questa condizione sarebbe soddisfatta se il nostro universo fosse all’interno di un buco nero che esista, a sua volta, all’interno di un universo più grande” afferma Poplawski. “Dato che la teoria della relatività generale di Einstein non sceglie una direzione preferenziale del tempo, se un buco nero si forma dal collasso gravitazionaledella materia attraverso l’orizzonte degli eventi nel futuro, allora il processo inverso è possibile. In altre parole, questo processo descriverebbe la formazione di un “buco bianco” con la materia che emerge dall’orizzonte degli eventi nel passato, come l’Universo in espansione”. Un buco bianco è connesso a un buco nero mediante il ponte di Einstein-Rosen, appunto il wormhole, e rappresenta ipoteticamente l’inversione temporale di un buco nero. L’idea di Poplawski vuole che tutti i buchi neri, non solo quelli del tipo Schwarzschild o del tipo Einstein-Rosen, abbiano i ponti di Einstein-Rosen, ognuno con un proprio universo che si è formato contemporaneamente con il buco nero. “Da ciò segue che il nostro Universo potrebbe essersi formato all’interno di un buco nero che esiste all’interno di un altro universo più grande” spiega Poplawski. Dunque, applicando il modello del collasso gravitazionale isotropo di una sfera e le attuali leggi della fisica agli altri buchi neri, l’ipotesi di assumere la nascita del nostro Universo all’interno di un buco di tarlo permetterebbe di risolvere i problemi che gli scienziati si trovano ad affrontare con il Big Bang e con il problema relativo alla perdita di informazione del buco nero che prevede, infatti, che tutta l’informazione contenuta nella materia sia persa quando essa attraversa l’orizzonte degli eventi, sfidando le leggi della meccanica quantistica. Infine, lo stesso Poplawski è convinto che il suo modello potrebbe spiegare l’origine dell’inflazione cosmica.

C’è da dire, però, che una delle proprietà note sui wormhole è che sono altamente instabili e dovrebbero collassare istantaneamente anche quando la più piccola quantità di materia, come un singolo fotone, provi ad attraversarlo. Ma come si fa a provare tutto ciò? Bene, per vedere se un oggetto può viaggiare attraverso un wormhole, l’osservatore dovrebbe stare all’interno dello stesso dato che le regioni interne non possono essere osservate dall’esterno. Una possibile soluzione è che un certo tipo di materia esotica potrebbe non fare collassare il wormhole perciò dovremmo creare o essere fatti di materia esotica per mantenerlo aperto. Ma, come afferma lo stesso Poplawski, se il wormhole fa parte di un buco nero che si trova all’interno di un universo ancora più grande allora il processo potrebbe funzionare.

[Abstract: Radial motion into an Einstein–Rosen bridge]

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+]