Niente è più oscuro di un buco nero

Pur nella loro totale incomunicabilità, i buchi neri sono oggetti celesti con un potere straordinario sull’immaginario collettivo. Con una attrazione gravitazionale così grande che persino la luce non riesce a uscire, i buchi neri sono impossibilitati ad avere interazioni dirette con l’esterno. Sono presenze oscure, che devono molto del loro successo al nome evocativo proposto dal fisico John Archibald Wheeler, esperto di relatività generale, la teoria che spiega l’esistenza di questi oggetti estremi. Non è quindi un caso che, nel 2015, proprio i buchi neri siano stati protagonisti della rivelazione della prima onda gravitazionale, un risultato epocale, ottenuto giusto in tempo per festeggiare il centenario della pubblicazione dell’articolo di Einstein con i fondamenti della teoria che prevede l’esistenza di queste onde. I fisici e gli astronomi di tutto il mondo avevano faticato a credere alla realtà del fuggevole passaggio della minuscola increspatura dello spazio-tempo prodotta 1,4 miliardi di anni fa in qualche parte nell’universo quando due buchi neri di qualche decina di massi solari si sono fusi, causando uno tsunami gravitazionale. Un risultato basato su decenni di lavoro di centinaia di scienziati che è sfociato nel premio Nobel 2017 per Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne, i padri nobili dell’esperimento. Le onde gravitazionali si sono rivelate un eccezionale modo per fare un esame post mortem dei buchi neri, il loro ultimo segnale dà informazioni sulla loro massa, su come ruotavano, sull’energia emessa. Un modo nuovo di studiare oggetti che, negli anni, gli astronomi avevano imparato a riconoscere quando sono tranquilli e si limitano a recare disturbo alla materia o agli oggetti celesti circostanti. Facendo buon uso delle leggi di Keplero, è possibile sfruttare il moto delle stelle che orbitano intorno ai buchi neri per pesare le presenze oscure. È così che si è scoperto che la natura ci offre buchi neri di tutte le taglie. Si spazia dagli extra-small, che impaccano una massa di circa tre volte quella del nostro Sole, agli extra-large che regolano la vita delle galassie grazie a masse di milioni, a volte miliardi, di masse solari. L’anno scorso abbiamo visto l’ombra del mostro che abita nel centro della galassia M87 grazie all’osservazione congiunta di numerosi radiotelescopi sparsi su tutta la terra. Un’immagine straordinaria che è recentemente diventato un breve filmato. I fotogrammi sono pochi ma sono sufficienti per fare capire come sia dinamica la regione intorno al buco nero dove la materia si organizza in un disco in vorticoso movimento. E proprio a un buco nero extra-large è andato il premio Nobel per la fisica di quest’anno, diviso tra Reinhard Genzel e Andrea Ghez, due astronomi che hanno dedicato decenni della loro attività a studiare il buco nero nel cuore della nostra galassia, e Roger Penrose, il teorico che ha lavorato sulle equazioni della relatività generale per dimostrare che i buchi neri dovevano esistere. Dobbiamo ringraziare questo maxi buco nero se, finalmente, il Comitato Nobel si è accorto dell’esistenza delle astronome: Andrea Ghez, oltre a essere la quarta donna a ricevere il Nobel per la Fisica, è la prima nel campo dell’astronomia. Un successo basato su lunghissime sequenze di osservazioni, spesso in competizione con Genzel. Un grande sforzo che è solo il primo passo per la comprensione del lato oscuro del cosmo. Come spiega molto bene Andrea Cimatti nella nuova edizione del suo L’universo oscuro, siamo soci di minoranza in un universo misterioso dove il fascino dei buchi neri si intreccia con quello della materia oscura e della ancora più enigmatica energia oscura. Più ci addentriamo nei misteri del cosmo più ci rendiamo conto dell’immensità della nostra ignoranza. Una constatazione che ci stimola a continuare sulla strada della ricerca perché le grandi sfide ci spingono a tirare fuori il meglio della nostra ingegnosità, sviluppando nuove tecnologie che, magari, miglioreranno la qualità della vita di tutti. (Media Inaf)

Fusione di buchi neri

Stando ad un recente studio, frutto di dati raccolti dal radiotelescopio Very Large Array (VLA), nell’Universo potrebbe esserci un numero di coppie di buchi neri supermassicci minore di quanto si pensasse. Le galassie massicce ospitano nel loro nucleo centrale buchi neri con masse pari a milioni di volte il nostro Sole. Quando due galassie di questo tipo si scontrano, i loro buchi neri supermassicci si avvicinano in una stretta danza orbitale che li porta, nel tempo, ad unirsi. Gli scienziati ritengono che questo avvicinamento sia la fonte più intensa di onde gravitazionali che la natura possa fornirci. «Le onde gravitazionali rappresentano la prossima grande frontiera dell’astrofisica, e la loro rilevazione porterà a una nuova comprensione dell’Universo», ha dichiarato David Roberts dellaBrandeis University, autore principale della ricerca. «È importante avere quante più informazioni possibili circa le fonti di questo segnale sfuggente», ha aggiunto. Le onde gravitazionali non sono altro che increspature nello spazio-tempo, e sono state previste nel 1916 da Albert Einstein come conseguenza della sua teoria della relatività generale. La prima prova indiretta dell’esistenza di questo tipo di onde è stata ottenuta studiando il comportamento di una pulsar in orbita attorno ad un’altra stella di neutroni, un sistema scoperto nel 1974 da Joseph Taylor e Russell Hulse. Le osservazioni di questo sistema binario sono durate diversi anni e hanno dimostrato che le loro orbite si stanno riducendo esattamente al tasso previsto dalle equazioni di Einstein, che prevedono una perdita di energia del sistema sotto forma, appunto, di onde gravitazionali. Nel 1993 Taylor e Hulse ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica per questo lavoro, che ha confermato un effetto previsto per le onde gravitazionali. Tuttavia, non ne esiste ancora alcun rilevamento diretto. Nel tentativo di rilevare le onde gravitazionali, gli astronomi di tutto il mondo stanno conducendo programmi di monitoraggio delle pulsar in rapida rotazione.  L’estrema precisione dei segnali emessi dalle pulsar ci permette di monitorare ogni loro minima variazione di rotazione. Il monitoraggio delle pulsar prevede la ricerca di spostamenti nei loro segnali luminosi, poiché tali spostamenti sarebbero causati dalle deformazioni del tessuto spazio-temporale riconducibili alle onde gravitazionali. Roberts e suoi colleghi hanno studiato nel dettaglio un campione di galassie note come “radio galassie a forma di X” (in inglese “X-shaped radio galaxies”), la cui peculiare struttura indica la possibilità che i getti radio osservati, che emettono particelle a grandi velocità strappandole dai dischi galattici, abbiano cambiato direzione nel tempo. Gli astronomi hanno suggerito che tale cambiamento potrebbe essere causato dalla fusione con un’altra galassia, che implicherebbe una variazione di direzione dell’asse di rotazione del buco nero e di quello del getto. Il team ha lavorato su un elenco di circa 100 oggetti, ha quindi raccolto i dati di archivio del VLA per ottenere immagini di altissima qualità per una selezione di 52 sorgenti tra le più promettenti. L’analisi delle nuove immagini ha portato alla conclusione che solo 11 sono reali candidati ad essere classificati come frutto di fusioni galattiche. I cambiamenti di direzione dei getti delle altre galassie, hanno concluso, avevano altre cause. Estrapolando da questo risultato, gli astronomi hanno stimato che meno dell’1.3% delle galassie con emissione radio estesa hanno effettivamente sperimentato fusioni. Questo tasso è cinque volte inferiore alle stime precedenti. «Questo potrebbe comportare una riduzione significativa del livello di onde gravitazionali che ci aspettiamo di osservare da queste peculiari radio galassie rispetto a quanto stimato in precedenza», ha detto Roberts. «Sarà molto importante conoscere l’emissione di onde gravitazionali attesa dagli oggetti di cui conosciamo il comportamento elettromagnetico: ci permetterà di migliorare la nostra comprensione della fisica fondamentale».
di Elisa Nichelli (INAF)

Le abitudini alimentari dei buchi neri

Grazie all’analisi dei dati dell’archivio della Sloan Digital Sky Survey (SDSS), e dei telescopi spaziali XMM-Newton and Chandra, un gruppo di astronomi ha scoperto un gigantesco buco nero che sta probabilmente distruggendo e divorando una stella di grande massa che si trova nelle sue vicinanze. Con una massa pari a 100 milioni di volte quella del Sole, si tratta fino ad oggi del più grande buco nero colto in flagrante. I risultati di questo studio sono pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Andrea Merloni del Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), autore principale dello studio, e i membri del suo gruppo hanno esplorato l’enorme archivio di dati della SDSS in vista di una futura missione satellitare in banda X. La survey SDSS ha osservato un’ampia frazione del cielo con il suo telescopio ottico prendendo una serie di spettri di galassie e buchi neri distanti. Per una serie di motivi, gli scienziati hanno ottenuto gli spettri di alcuni oggetti più volte. Ora, nel momento in cui il gruppo stava analizzando uno degli oggetti ripreso con spettri multipli, noto con la sigla SDSS J0159+0033, una galassia nella costellazione della Balena alla distanza di circa 3,5 miliardi di anni luce dalla Terra, i ricercatori rimasero colpiti da uno straordinario cambiamento.
«Di solito, le galassie distanti non mostrano variazioni significative nel corso della loro vita, cioè su tempi scala dell’ordine di anni o decine di anni», spiega Merloni. «Ma questa ha mostrato una variazione drammatica del suo spettro come se il suo buco nero si fosse acceso e spento». Ciò è accaduto tra il 1998 e il 2005 ma nessuno aveva notato lo strano comportamento fino allo scorso anno, quando due gruppi di ricercatori che stavano preparando la prossima (quarta) generazione delle survey SDSS si imbatterono indipendentemente nei dati.
Per fortuna, i due maggiori osservatori spaziali X, XMM-Newton dell’ESA e Chandra della NASA, osservarono la stessa area di cielo abbastanza vicina all’istante di tempo in cui si è avuto il flare e poi di nuovo circa dieci anni più tardi. Ciò ha permesso agli astronomi di avere un’informazione unica sull’emissione di alta energia che rivela come la materia viene processata nelle immediate vicinanze del buco nero centrale.
I buchi neri di grossa taglia risiedono nei nuclei delle galassie più grandi. Gli scienziati ritengono che la loro crescita ed evoluzione, che ha permesso di raggiungere le dimensioni attuali, è stata dovuta ai processi di accrescimento del gas interstellare che non può sfuggire alla loro immensa attrazione gravitazionale. Questo processo ha luogo nel corso di un tempo alquanto lungo (da 10 a 100 milioni di anni) ed è in grado di trasformare un buco nero di “piccola taglia”, creatosi a seguito dell’esplosione stellare di una stella massiccia, in un oggetto mostruoso supermassiccio che risiede nei nuclei delle galassie.
Sappiamo che le galassie contengono un elevato numero di stelle ma alcune di esse, quelle più sfortunate, possono passare nelle vicinanze del buco nero centrale: qui esse vengono distrutte e alla fine “divorate” dal mostro. Se il buco nero è abbastanza compatto, le forti interazioni mareali fanno letteralmente a pezzi la stella in modo spettacolare. Ciò che rimane di essa continua a spiraleggiare attorno al buco nero e produce enormi brillamenti di radiazione (flare) che possono raggiungere una luminosità pari a quella di tutte le stelle della galassia ospite per un periodo di tempo che va da qualche mese a un anno. Questi eventi rari vengono chiamati TDF che sta per Tidal Disruption Flares.
Merloni e i suoi collaboratori pubblicarono immediatamente i loro dati affermando che il “loro” flare era quasi in perfetto accordo con le previsioni del modello. In più, data la natura casuale della scoperta, essi sottolinearono il fatto che si trattava di un sistema ancora più particolare di tutti quelli che erano stati trovati fino ad ora attraverso le ricerche attive. Con una massa stimata di 100 milioni di masse solari, stiamo avendo a che fare con il più grosso buco nero osservato nell’atto di distruzione di una stella.
Tuttavia, la dimensione del sistema in questione non è il solo aspetto intrigante di questo particolare flare ma è anche il primo per cui gli scienziati possono essere abbastanza certi che il buco nero sia rimasto di recente a “dieta di gas” (cioè alcune decine di migliaia di anni). Si tratta di un indizio importante che ci permette di comprendere di quale tipo di “cibo” si alimentano per lo più i buchi neri.
«Louis Pasteur diceva: ‘La fortuna favorisce una mente preparata’, ma nel nostro caso nessuno era davvero preparato», dice Merloni. «Avremmo potuto trovare questo oggetto unico già dieci anni fa ma gli astronomi non sapevano dove guardare. E’ alquanto comune in astronomia che il progresso verso la comprensione del cosmo viene spesso aiutato da scoperte casuali. Ora abbiamo un’idea migliore di come individuare altri eventi di questo tipo e gli strumenti futuri espanderanno notevolmente la nostra abilità di ricerca».
Tra meno di due anni, un nuovo potente telescopio per raggi X, eROSITA, attualmente in fase di costruzione al MPE, sarà messo in orbita sul satellite russo-tedesco SRG. Il telescopio osserverà l’intero cielo con una sensibilità adeguata per scoprire centinaia di eventi di distruzione mareale come nel suddetto caso. Grandi telescopi ottici stanno per essere concepiti e costruiti allo scopo di monitorare il “cielo variabile” e contribueranno enormemente alla soluzione del mistero di quelle che sono le abitudini alimentari dei buchi neri. Gli astronomi dovranno essere preparati per catturare questi eventi drammatici della vita di una stella ma anche quando essi saranno pronti, il cielo riserverà comunque nuove sorprese.
di Corrado Ruscica (INAF)

VLA svela il buco nero “timido” di M32

Grazie alla straordinaria sensibilità del Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), gli astronomi hanno scoperto quella che sembra essere l’emissione radio proveniente da un buco nero supermassiccio al centro di una galassia vicina a noi. La prova dell’esistenza di un buco nero era stata ottenuta precedentemente solo da studi dei moti stellari della galassia e da osservazioni nei raggi X. La galassia, chiamata M32 (dove M indica il catalogo Messier), è una satellite della galassia di Andromeda, l’imponente vicina della nostra Via Lattea. A differenza della Via Lattea e Andromeda, che sono galassie a spirale e quindi presentano formazione stellare, M32 è una galassia ellittica con poca formazione stellare. A circa 2.5 milioni di anni luce dalla Terra, M32 è molto più piccola sia della Via Lattea che di Andromeda. I buchi neri supermassicci si trovano nei dintorni dei nuclei della maggior parte delle galassie, e mentre quei buchi neri attirano materia dall’ambiente circostante, getti di materiale vengono spinti a velocità prossime a quella della luce generando segnali rilevabili nella banda radio. L’intensità di questa emissione radio dipende da quanto voracemente il buco nero sta consumando la materia circostante. I buchi neri centrali della Via Lattea e Andromeda sono emettitori radio piuttosto deboli rispetto a molte altre galassie. «L’emissione radio estremamente debole, che riteniamo provenga dal buco nero centrale di M32, indica che l’attività di questo oggetto è tra i più deboli osservati finora, insieme alla Via Lattea e Andromeda», ha detto Yang Yang, della Nanjing University in Cina. «Studiare questi buchi neri quiescenti ci offre un’ottima opportunità per migliorare la nostra comprensione, attualmente piuttosto scarsa, del loro funzionamento». La scoperta è stata resa possibile dal notevole miglioramento nella sensibilità dei sistemi elettronici del VLA, prodotto di un decennio di lavori, completati nel 2012, e 98 milioni dollari di investimenti. Le nuove osservazioni VLA sono state in grado di rilevare un’emissione radio circa 90 volte più debole rispetto agli studi precedenti di M32. L’immagine raccolta con il VLA ha mostrato un oggetto che emette debolmente nella banda radio, proprio nel punto da cui vengono emessi i raggi X e attorno al quale sembrano orbitare le stelle vicine al centro della galassia. «Questo ci dice che l’emissione radio proviene molto probabilmente dal buco nero, ma vogliamo fare ulteriori osservazioni per averne conferma», ha spiegato Yang. Il buco nero di M32 contiene circa 2.5 milioni di volte la massa del Sole, mentre si stima che il buco nero al centro della Via Lattea ne contenga circa 4 milioni. Il VLA anche rivelato la presenza di tre oggetti che emettono nel radio e che gli scienziati ritengono essere nebulose planetarie già osservate con i telescopi ottici. Le nebulose planetarie sono sfere di gas espulso durante ultime fasi nella vita di stelle grandi circa come il nostro Sole. L’immagine di M32 raccolta dal VLA rappresenta il primo rilevamento di questi oggetti, ai margini più remoti del Gruppo Locale, da parte di un radiotelescopio. Yang ha guidato un team di astronomi provenienti da Cina e Stati Uniti. Lorant Sjouwerman del National Radio Astronomy Observatory è stato determinante per ottenere e analizzare i dati del VLA. Gli scienziati riporteranno i loro risultati su Astrophysical Journal Letters.
di Elisa Nichelli (INAF)

Attila il buco nero, flagello della galassia

L’urlo nero della galassia è un vento relativistico che si leva impetuoso dal suo cuore. Prende le mosse dal disco d’accrescimento fatto di materia bollente, milioni di gradi, che ruota attorno all’enorme buco nero supermassiccio centrale. Infuria verso l’esterno a velocità inconcepibile, un quarto di quella della luce, spazzando via con la sua onda d’urto tutto ciò che incontra lungo il cammino. Creando attorno a sé il deserto, una landa desolata di spazio interstellare che s’estende per centinaia d’anni luce, entro la quale non potrà nascere più nulla. Questa la scena apocalittica ricostruita da un team d’astrofisici guidati dal marchigiano Francesco Tombesi, ricercatore alla NASA e associato INAF, giustapponendo i dati raccolti dai telescopi spaziali Herschel e Suzaku, europeo il primo (ESA) e frutto d’una collaborazione fra Giappone e Stati Uniti il secondo. Descritta in dettaglio nell’ultimo numero di Nature (numero del quale s’è guadagnata la copertina), la scena si svolge – o meglio si svolgeva, considerando la distanza spaziotemporale – a 2.3 miliardi di anni luce da noi, al centro d’una galassia targata IRAS F11119+3257. Si tratta d’una galassia piuttosto particolare: una ULIRG (Ultra Luminous Infrared Galaxy), la definiscono gli astronomi, ovvero una galassia estremamente luminosa in infrarosso. Ma il “piccolo” Attila che si ritrova nel cuore – un buco nero supermassiccio di circa 16 milioni di masse solari – è all’origine d’un fenomeno più generale: quello appunto dello spegnimento sul nascere della formazione stellare per carenza di “combustibile”, rimosso dalle sferzate del vento relativistico. Un fenomeno sulla cui esistenza gli astronomi avevano già raccolto numerosi indizi, senza però mai riuscire ad addossarne la responsabilità ai buchi neri centrali delle galassie nelle quali avviene. Ora invece la svolta: finalmente è stato possibile stabilire in modo inequivocabile il collegamento mancante, quello fra i venti (outflows) di gas molecolare a grande scala, osservati in infrarosso con il satellite Herschel dell’ESA, e i venti relativistici (ultra-fast outflows) emessi dai buchi neri che ne sono all’origine, osservati in banda X con Suzaku. «Per la prima volta siamo riusciti a confrontare questi due tipi di gas, a vedere che il buco nero riesce a produrre questi venti – inizialmente a velocità molto elevate, fino al 25 percento della velocità della luce – che poi vanno a impattare il mezzo interstellare a distanze estremamente grandi, fino a 1000 anni luce. E questo provoca una riduzione del materiale che sarebbe servito a formare nuove stelle», spiega Tombesi a Media INAF. «Quello che mancava era la prova d’una connessione diretta. Noi siamo andati a scovare la presenza del vento nelle parti centrali, dunque direttamente connesso con il buco nero. E abbiamo visto che la sua energia iniziale è sufficiente a spiegare la formazione dei venti molecolari freddi a scale più grandi». Un lavoro da investigatori, quello condotto dal team di Tombesi. Per inchiodare definitivamente il colpevole hanno prima dovuto scagionare gli altri “sospetti”, scartando le ipotesi alternative. «La prima era che, essendo questa una galassia con un tasso di produzione stellare molto elevato, potessero essere i venti generati dalle stelle stesse, o dall’esplosione delle supernove, a influenzare il gas molecolare bloccando la produzione di ulteriori stelle. Ma in questo caso», osserva Tombesi, «la formazione stellare non era sufficiente a giustificare venti così potenti. L’altra ipotesi era che potesse trattarsi d’un getto molto collimato a velocità relativistica, prodotto anch’esso dal buco nero. Ma questa galassia non presenta alcun getto. Dunque il responsabile non poteva che essere il buco nero supermassiccio». Ora che il colpevole è stato identificato, sorge però un altro dubbio. Anche la Via Lattea, la nostra galassia, ospita al centro un buco nero supermassiccio. Dovesse mai – per qualche improbabile evento – trasformarsi in un Attila pure lui, c’è il rischio che i venti prodotti possano spegnere il nostro Sole? «No, non penso che sia possibile», ci tranquillizza Tombesi, «perché una volta che il gas freddo si è compattato e ha iniziato a formare stelle, l’effetto non è più così forte. Le stelle, essendo molto compatte, hanno un’area ridotta, quindi l’influenza del vento non sarebbe molto elevata. Al contrario di quanto avviene sul gas rarefatto, dunque sul combustibile delle future stelle». Insomma, il Sole e le altre stelle della nostra galassia rimarrebbero comunque accese: tutt’al più, rischierebbero di diventare una specie in via d’estinzione.
di Marco Malaspina (INAF)

Un buco nero di taglia intermedia

Nell’universo c’è un oggetto cosmico di recente scoperta che potrebbe aiutarci a far luce su questioni irrisolte che riguardano l’evoluzione dei buchi neri e la loro influenza sull’ambiente che li circonda. Stando a quanto affermato in uno studio condotto con Chandra, il telescopio a raggi X della NASA, sembrerebbe che questo oggetto vada a completare il quadro di famiglia dei buchi neri. «In paleontologia, la scoperta di alcuni fossili può aiutare gli scienziati a colmare lacune evolutive tra differenti dinosauri», dice Mar Mezcua dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, che ha condotto lo studio. «In astronomia facciamo la stessa cosa, ma dobbiamo andare a scavare in galassie lontane milioni di anni luce per dissotterrare le stelle che stiamo cercando». L’intrigante oggetto di cui stiamo parlando è stato chiamato NGC2276-3c e si trova in uno dei bracci a spirale della galassia NGC 2276, a circa 100 milioni di anni luce dalla Terra. NGC2276-3c sembra avere tutte le caratteristiche per essere ciò che gli astronomi chiamano un “buco nero di massa intermedia”.
Per molti anni gli scienziati hanno trovato prove convincenti dell’esistenza di buchi neri di taglia più piccola, che contengono da cinque a trenta volte la massa del Sole. Abbiamo anche molte informazioni circa i cosiddetti buchi neri supermassicci, che risiedono al centro delle galassie e contengono milioni o addirittura miliardi di masse solari.
Come suggerisce il nome, i buchi neri di massa intermedia rappresentano una classe che si colloca a metà tra questi due gruppi, con masse tra le centinaia e le migliaia di masse solari. Una delle ragioni per cui questi buchi neri intermedi sono importanti è che potrebbero essere i progenitori dei buchi neri supermassicci, formatisi nelle prime fasi di vita dell’universo. «Gli astronomi cercano da molto tempo questi buchi neri di taglia media», ha dichiarato Tim Roberts dell’Università di Durham, co-autore dello studio. «In passato ci sono state indicazioni che potevano esistere, ma si sono sempre comportati come parenti lontani che non hanno alcun interesse ad essere scovati».
Lo studio su NGC2276-3c si è basato su dati Chandra nella banda dei raggi X e su dati dell’European Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Network per la banda radio. La sorgente è stata osservata circa per la stessa quantità di tempo nelle due bande, e i dati ottenuti, insieme ai modelli teorici per l’emissione in radio e nelle alte energie da parte di buchi neri, hanno permesso di stimare la massa di questo oggetto. Il risultato è stato una stima di circa 50.000 masse solari, ponendo NGC2276-3c nell’intervallo dei buchi neri di massa intermedia.
«Abbiamo trovato che NGC2276-3c presenta comportamenti analoghi sia ai buchi neri di natura stellare che a quelli supermassici», ha detto Andrei Lobanov del Max Planck Institute for Radio Astronomy di Bonn, co-autore del lavoro. «In altre parole, questo oggetto ci permette di riunire tutta la grande famiglia dei buchi neri».
Oltre alla sua massa, NGC2276-3c ha un’altra proprietà sorprendente: un getto radio che si estende fino a 2.000 anni luce. La regione che si trova davanti al getto sembra priva di stelle giovani per un raggio di circa 1.000 anni luce. Questo conferma che i buchi neri di massa intermedia hanno una forte influenza sull’ambiente circostante, poiché sembra che il getto abbia ripulito la regione dal gas, sopprimendo la formazione di nuove stelle. Studi futuri di questo getto potrebbero fornire preziose informazioni sugli effetti a larga scala di questo tipo di buchi neri sull’universo nelle sue prime fasi di vita.
La posizione di NGC2276-3c lungo un braccio a spirale della sua galassia ci pone davanti a nuove domande. Il buco nero si è formato all’interno della galassia o proviene dalla regione centrale di una galassia nana che ha colliso in passato con NGC 2276?
NGC2276-3c è una delle otto sorgenti note come ultraluminous X-ray sources (ULX, sorgenti ai raggi X ultra-luminose) presenti nella galassia NGC 2276. «Le ULX sono sorgenti non nucleari con luminosità X molto maggiore di quella che ci aspetta per un buco nero di massa stellare», dice Anna Wolter dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Brera, «grazie alla “vista acuta” del satellite Chandra abbiamo trovato ben 8 ULX in tutta la galassia NGC 2276, un oggetto spettacolare e attivo in tutte le bande, terzo per numero di ULX ospitate». Si conoscono centinaia di ULX, scoperte nell’arco degli ultimi 30 anni, tuttavia la loro natura è ancora oggetto di dibattito, e per alcune l’ipotesi è che si tratti di buchi neri di massa intermedia.
Le osservazioni di Chandra hanno mostrato che un’apparente ULX vista da XMM-Newton, il telescopio a raggi X dell’ESA, è in realtà formata da 5 diverse ULX, tra cui proprio NGC2276-3c. Lo studio della dott.ssa Wolter ha concluso che NGC 2276 forma ogni anno tra cinque e quindici masse solari sotto forma di stelle. «Nel nostro articolo», prosegue la ricercatrice, «abbiamo stimato che la grande attività e il numero elevato di ULX siano dovuti all’interazione con il gas che circonda l’ellittica centrale del gruppo, NGC 2300, il primo gruppo in cui è stato trovato gas caldissimo, a qualche milione di gradi, proprio per mezzo di osservazioni nella banda dei raggi X. è un risultato che dovrebbe anche farci ragionare su quanto è importante mantenere una capacità di risoluzione elevata per i prossimi telescopi X in costruzione».
di Elisa Nichelli (INAF)

Pasto stellare per il buco nero

Quando una stella arriva a una distanza critica da un buco nero supermassiccio (SMBH) le poderose forze mareali deformano la stella creando un flusso di detriti che cadono all’interno del buco nero illuminando lo spazio circostante con una “fiammata” luminosa. E’ questo lo spettacolo a cui ha assistito un gruppo di ricercatori utilizzando un piccolo telescopio – il ROTSE IIIb – presso McDonald Observatory (negli Stati Uniti) per un’analisi durata ben 5 anni. Pubblicando i dati della ricerca su The Astrophysical Journal, gli scienziati sono riusciti a testimoniare il vorace pasto di un buco nero.
Il 21 gennaio 2009 il telescopio ROTSE IIIb ha catturato un evento estremamente luminoso. L’ampio campo di vista consente al telescopio di scattare immagini di grandi porzioni cielo ogni notte alla ricerca di nuove stelle che esplodono. Con una magnitudo di -22,5, l’evento registrato a inizio 2009 è stato brillante e potente come l’esplosione di una supernova superluminosa (le più brillanti esplosioni stellari finora conosciute) scoperta sempre grazie a questo telescopio. L’evento è stato ribattezzato Dougie (nome familiare per i fan di South Park), anche se il suo nome tecnico è ROTSE3J120847.9+430121. Il team di esperti ha pensato si trattasse di una supernova e per questo hanno cercato per molto tempo la sua galassia ospite, impresa impossibile perché sarebbe stata troppo debole da essere vista da ROTSE. Qualche tempo dopo hanno scoperto che la Sloan Digital Sky Survey aveva già mappato una debole galassia rossa proprio nella zona dell’evento Dougie. Utilizzando poi uno dei giganti telescopi Keck alle Hawaii, il gruppo di scienziati è riuscito a capire la distanza della galassia da noi, circa tre miliardi di anni luce.
Il problema successivo è stato quello di definire e caratterizzare l’evento: una supernova superluminosa oppure la collisione tra due stelle di neutroni? Il team ha anche pensato a un lampo gamma o a un evento ancora più distruttivo, cioè proprio quello che stavano cercando. Una stella è stata smembrata, nel vero senso della parola, man mano che si avvicinava al buco nero al centro della sua galassia ospite. Gli esperti hanno poi ripreso le osservazioni, prima all’ultravioletto con il telescopio orbitante Swift e poi raccogliendo dati con il telescopio ottico Hobby-Eberly. Hanno anche usato dei modelli al computer su come la luce di diversi processi fisici potrebbero spiegare il comportamento di Dougie.
Il principale autore dello studio, Jozsef Vinko dell’Università di Seghedino in Ungheria, ha spiegato che monitorando la variazione di luce «abbiamo capito che si trattava di qualcosa che nessuno aveva mai visto prima». J. Craig Wheeler, dell’Università del Texas, ha aggiunto che «l’immensa forza gravitazionale del buco nero tira la stella da un lato più che da un altro provocando strappi che distruggono la stella», dopo averla deformata fino a darle una forma allungata “a spaghetto”. Il ricercatore ha sottolineato, inoltre, che la stella «non cade direttamente al centro del buco nero, bensì dovrebbe formare prima un disco».  Al temine della ricerca gli esperti hanno affermato che Dougie era una stella dalla massa simile al nostro Sole prima di essere “divorata”. In più hanno scoperto che il buco nero ha una massa pari a un milione di soli.
In realtà non è la prima volta che si parla di questo fenomeno, ma è la prima volta che gli astronomi assistono a un evento così raro: la stella “è dura a morire”, a quanto sembra, insomma, si ribella al buco nero. Alcuni modelli sviluppati dal team di James Guillochon di Harvard e di Enrico Ramirez-Ruiz dell’Università della California, Santa Cruz, hanno dimostrato che la materia stellare stava generando così tanta radiazione che ha spinto indietro la stella: dai dati sembra che il buco nero stesse quasi soffocando durante il lauto spuntino.
di Eleonora Ferroni (INAF)

L’origine dei buchi neri supermassicci

Gli astronomi non hanno ancora una risposta definitiva sui processi che riguardano la formazione dei buchi neri supermassicci. Oggi, però, uno studio condotto da alcuni ricercatori del Center for Astrophysics di Harvard tenta di far luce su quelli che vengono definiti “siti cosmici” da cui avrebbero origine questi mostri del cielo. I risultati, pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, aiuteranno gli scienziati a comporre il puzzle che permetterà, si spera, di descrivere l’evoluzione di questi oggetti esotici che risiedono nel cuore delle galassie Il processo che riguarda la nascita e l’evoluzione di un buco nero non può essere paragonato a quello di piantare un seme nel terreno e aggiungere dell’acqua. Gli oggetti più massivi si possono pensare come dense aggregazioni di materia, letteralmente come dei “pozzi senza fondo”: qualsiasi cosa che vi cade dentro non è più in grado di fuoriuscire. I buchi neri possono avere varie dimensioni. Quelli più piccoli, che hanno una massa alcune volte superiore a quella del Sole, si originano dalle esplosioni stellari. Quelli più grandi, che possono raggiungere milioni o miliardi di volte la massa solare, risiedono nei nuclei di quasi tutte le galassie ed evolvono insieme ad esse nel corso del tempo. Nonostante non sia del tutto chiaro come avviene quest’ultimo processo, gli scienziati ritengono che durante le fasi iniziali dell’evoluzione galattica i buchi neri giochino un ruolo importante e agiscano come una sorta di “sito cosmico” attorno al quale si addensa il materiale. Inoltre, durante le fasi successive del ciclo vitale delle galassie, i buchi neri possono alimentare eventualmente getti di materia man mano che il gas e le polveri si accrescono lungo una struttura a forma di disco che li circonda. Queste fasi attive e avanzate dell’evoluzione dei buchi neri possono addirittura “accendere” le galassie facendole diventare estremamente brillanti, come avviene nel caso dei quasar la cui luminosità è tale da renderli visibili da enormi distanze astronomiche. La domanda è: da dove provengono questi oggetti esotici, in particolare quelli presenti nell’Universo primordiale? Secondo la teoria dell’evoluzione stellare, la morte esplosiva di stelle massicce, un fatto del tutto normale, può durare diverse centinaia di milioni di anni mentre la stella evolve fondendosi con il gas circostante. Successivamente, nella “incubatrice cosmica”, cioè in quella regione dello spazio da cui emergerà il buco nero, si accrescerà del materiale che determinerà nel corso del tempo la formazione di un oggetto supermassiccio. Tuttavia, non è ancora chiaro se esista tempo a sufficienza affinché si abbia questo processo. Infatti, i ricercatori hanno tentato per diversi anni di riprodurre con le simulazioni numeriche ciò che succede durante il collasso gravitazionale del gas, senza ottenere particolari successi. Oggi, Fernando Becerra, Thomas Greif, Lars Hernquist e altri colleghi del Center for Astrophysics (CfA) hanno proposto un altro meccanismo che riguarda laframmentazione del gas primordiale. In altre parole, gli autori hanno simulato il collasso gravitazionale del gas in tante regioni minori, che sono molto più massive, circa 10 mila masse solari, di quelle che caratterizzano i resti delle esplosioni stellari. Si tratta di una simulazione tridimensionale molto dettagliata realizzata con una precisione sorprendente, sia in termini di dimensioni spaziali che di densità del gas. La simulazione (vedasi video) mostra che una volta che la nube di gas diventa otticamente spessa alla radiazione, essa si accresce distribuendosi lungo una struttura a forma di disco che circonda la protostella principale, la cui massa iniziale è di circa 0,1 masse solari. Il tasso di accrescimento e i processi radiativi che fanno raffreddare il gas catalizzano la frammentazione del disco causando la formazione di un piccolo sistema protostellare costituito da 5-10 membri. Dopo circa 12 anni, le interazioni gravitazionali perturbano il disco ed espellono temporaneamente la protostella principale dal centro della nube di gas. Alla fine della simulazione, si osserva il collasso gravitazionale di un gruppo secondario, che si trova alla distanza di circa 150 unità astronomiche da quello principale. Se questo secondo gruppo evolve analogamente al primo, allora la nube di gas può trasformarsi in un sistema binario. Ad ogni modo, l’elevato tasso di accrescimento sia del gruppo primario che del gruppo secondario suggeriscono che il processo di frammentazione non rappresenta un ostacolo significativo che porterà in seguito alla formazione di almeno un buco nero supermassiccio dopo qualche milione di anni. Questi risultati rappresentano comunque un passo avanti che fa luce sulla natura di quei siti cosmici da cui avranno origine le galassie.
di Corrado Ruscica (INAF)

Un enorme buco nero all’interno di una galassia nana

Le prime impressioni possono essere ingannevoli, anche per le galassie. Un gruppo internazionale di astronomi ha infatti scovato un buco nero di dimensioni ragguardevoli celato all’interno di una minuta galassia nana irregolare classificata come J132 9+ 3234. Localizzata a oltre 200 milioni di anni luce da noi, questa galassie è simile in dimensioni alla Piccola Nube di Magellano, contenendo solo qualche centinaio di milioni di stelle. I telescopi ottici non avevano mai rivelato alcun indizio del furioso banchetto in corso nel minuscolo ventre della galassia, ma ora un nuovo studio pubblicato su The Astrophysical Journal ha svelato che, dietro cortine di polveri cosmiche, un massiccio buco nero divora ad ampi bocconi tutta la materia galattica che riesce a raggiungere, divampando in energetici rigurgiti. A scorgere la bocca fiammeggiante del mostro cosmico è stato prima, nel 2013, il telescopio spaziale Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE), che ha registrato nell’infrarosso le impronte caratteristiche di un buco nero in accrescimento all’interno della galassia nana J1329 + 3234. Poi le ultime osservazioni con l’osservatorio orbitante XMM-Newton dell’ESA, effettuate dal medesimo team di ricercatori. Osservazioni che hanno non solo confermato la presenza del buco nero, ma anche rivelato che è un ospite veramente ingombrante. «L’emissione di raggi X da J1329 + 3234 è di oltre 100 volte più forte di quanto previsto per questa galassia», spiega Nathan Secrest della George Mason University, autore principale del nuovo studio. «Noi ci aspettavamo di trovare un’emissione di raggi X a basso livello, originata da un buco nero all’interno della galassia di dimensioni paragonabili a qualche massa solare. Ma quello che abbiamo trovato era invece un livello di emissioni coerente con un buco nero enorme». In altre parole, le osservazioni combinate in infrarosso e in raggi X di questa galassia nana possono essere spiegate solo con la presenza in J1329 + 3234 di un buco nero massiccio, come quelli che si possono trovare in galassie di dimensioni molto superiori. La massa esatta del buco nero non è nota, ma i ricercatori hanno calcolato che deve essere almeno 3000 volte quella del Sole, anche se non è improbabile che possa raggiungere la stazza di circa 150.000 masse solari. I buchi neri in fase di accrescimento vorticoso al centro di  galassia sono noti come nuclei galattici attivi o AGN, e la loro presenza sembra essere piuttosto rara in galassie che non presentino un “rigonfiamento” (bulge) centrale di stelle, categoria di cui un esempio tipico sono le galassie nane. «Questa è una scoperta molto importante», afferma la co-autrice dello studio Shobita Satyapal, sempre della George Mason University. «E ‘abbastanza interessante il fatto che una tale piccola galassia possieda un grande buco nero, ma questo porta soprattutto a interrogarsi su come questi buchi neri si possano originariamente formare». L’avere trovato un buco nero massiccio all’interno di una minuscola galassia senza rigonfiamento centrale fornisce rafforza la tesi che i buchi neri possano essere cresciuti in modo molto efficiente negli aloni gassosi di galassie in fase formazione a partire dal collasso di nubi di gas primordiale. «L’idea che siamo riusciti a trovare un buco nero in accrescimento anche in una galassia senza evidenza ottica della sua presenza, è entusiasmante», conclude Secrest. «Buchi neri massicci e AGN possono essere molto più comuni all’interno di galassie a bassa massa e senza rigonfiamento centrale rispetto a quello che attualmente pensiamo
di Stefano Parisini (INAF)

Il mistero di SDSS1133

Si può immaginare un buco nero sparato via dal centro della propria galassia? Difficile da crederlo, almeno per i profani, ma è quello che potrebbe essere un oggetto cosmico  misterioso situato a 90 milioni di anni luce dalla Terra. Il satellite della NASA Swift, di cui ricorrono i dieci anni (vedi Media INAF), ha infatti notato una inusuale sorgente di luce nella galassia nana Markarian 177.

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Il curioso oggetto ha le caratteristiche di un buco nero supermassiccio, scalciato via nell’incontro con un altro buco nero di grandi dimensione, a valle, probabilmente di una fusione tra due galassie. Ma non è l’unica ipotesi che gli scienziati hanno fatto sull’origine di SDSS1133, questo il nome in sigla dell’oggetto rilevato. Infatti potrebbe trattarsi del perdurante “residuo” delle emissioni di una stella supermassiccia prima di esplodere come Supernova. Secondo il primo autore della ricerca,  Michael Koss, astronomo al Swiss Federal Institute of Technology, entrambe le ipotesi sono possibili. Infatti l’analisi della luminosità nell’ultravioletto fatta dal satellite Swift mostra una leggera variazione di luminosità nell’ultima decade, comportamento non tipico del “remnant” di una supernova.  Nello studio pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society lo scorso 21 novembre,  i ricercatori dimostrano che la sorgente ha mantenuto costante o quasi la sua brillantezza negli ultimi sei mesi, comportamento che ben si attribuirebbe a quello di un buco nero. Però SDSS1133 si trova, come detto, nella galassia nana Markarian 177, nella Costellazione dell’Orsa Maggiore, ma non al suo centro come normalmente dovrebbe essere per un buco nero supermassiccio, ma a 2600 anni luce dal cuore della sua galassia. Per analizzare in dettaglio SDSS1133 gli astronomi hanno pianificato osservazioni con il Cosmic Origins Spettrograph a bordo dell’Hubble Space Telescope, per l’ottobre del prossimo anno. La sorgente peraltro è persistente: dati delle sue emissioni di luminosità risalgono, infatti, fino a sessanta anni fa. Ma c’è anche una terza ipotesi, nel caso le prime due alla fine non trovassero conferme: potrebbe trattarsi di una Variabile Blu Luminosa (LBV), un tipo di stelle massicce piuttosto inusuale (vedi Media INAF). Queste stelle massicce hanno occasionali grandi eruzioni di massa verso lo spazio per lungo tempo prima di esplodere. Nel caso si trattasse di una LBV, allora sarebbe il più lungo periodo di eruzione di questo tipo di stella mai osservato finora.
di Francesco Rea (Inaf)

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