Buchi neri? Imperfezioni dello spaziotempo

Non aprite quel wormhole… e invece loro sono andati a scardinarlo, scoperchiando i buchi neri con strumenti matematici pensati per altre discipline, come la fisica dei materiali. E che si applicano di solito per descrivere cristalli o strutture di grafene. Quel che ne è emerso, riportato in uno studio pubblicato lo scorso aprile sulle pagine di Classical and Quantum Gravity (ma ripreso solo a fine luglio dall’università in cui è stato condotto),  è un universo nel quale la materia potrebbe forse sopravvivere a una scorribanda attraverso questi oggetti spaziali che più estremi non si potrebbe. Per poi uscirne – indenne? chissà… – dall’estremo opposto. Loro, gli “scardinatori”, sono un trio di fisici teorici guidato da Gonzalo Olmo dell’università di Valencia, e la loro proposta ha qualcosa di déjà-vu. Un po’ perché non è la prima volta che vengono formulate ipotesi analoghe (ne abbiamo parlato anche su Media INAF). Più letteralmente, perché così come i déja-vu – spiegava Trinity a Neo – sono imperfezioni di Matrix, quelle singolarità che siamo soliti chiamare buchi neri, nello studio di Olmo e colleghi, diventano imperfezioni di quella matrice quadrimensionale nota come spaziotempo. Una soluzione – o un escamotage, a voi la scelta – che risolverebbe, così almeno scrivono i tre fisici, l’anomalia d’una deformazione della curvatura spaziotemporale prodotta da un’attrazione gravitazionale infinita. «Così come nella struttura microscopica dei cristalli sono presenti imperfezioni», spiega Olmo, «la regione centrale d’un buco nero può essere interpretata come un’anomalia nello spaziotempo, che per essere descritta con precisione richiede nuovi elementi geometrici. Abbiamo esplorato tutte le possibilità, prendendo ispirazione da quello che si osserva in natura». Facendo ricorso a queste nuove geometrie, i ricercatori hanno ottenuto una descrizione nella quale il centro dei buchi neri diventa una piccolissima superficie sferica. Una superficie che può essere interpretata come la presenza di un wormhole all’interno del buco nero. «La nostra teoria risolve con naturalezza numerosi problemi nell’interpretazione dei buchi neri elettricamente carichi», dice Olmo facendo riferimento a un tipo di buchi neri contemplato dalla relatività generale, sebbene sembri improbabile che ne esistano in natura. «E il primo problema che risolviamo è quello della singolarità, poiché vi è una porta al centro del buco nero, il wormhole appunto, attraverso la quale lo spazio e il tempo possono mantenere continuità». Un altro problema che secondo Olmo verrebbe meno è la necessità, per “aprire” il wormhole, di sorgenti d’energia esotiche. Stando alla gravità einsteniana, queste “porte” dovrebbero manifestarsi solo in presenza di materia con proprietà alquanto insolite, tipo una densità o una pressione a energia negativa, e in ogni caso mai osservata in natura. «La nostra teoria», sostiene invece Olmo, «prevede che il wormhole possa apparire anche da forme di materia o energia ordinarie, come per esempio un campo elettrico». Quello preso in esame nello studio è il tipo di buco nero più semplice: non in rotazione e, come dicevamo, elettricamente carico. Dalle equazioni che lo descrivono emerge un wormhole più piccolo di un nucleo atomico, ma che diventa sempre più grande mano a mano che aumenta la carica immagazzinata nel buco nero. Il solito, malcapitato, ipotetico viaggiatore che entrasse in un buco nero di tal fatta verrebbe sì stiracchiato fino all’impossibile – “spaghettificato”, come dicono sceneggiatori e scienziati – fino ad attraversare il wormhole, ma all’uscita riacquisterebbe le dimensioni di partenza. E se visto da fuori lo stiramento apparirebbe infinito, chi lo vive in prima persona sperimenterebbe forze solo estremamente intense, ma non infinite. Provare per credere.
di Marco Malaspina (INAF)

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Così funziona l’orizzonte degli eventi

I buchi neri sono corpi celesti ancora molto misteriosi che però, così pensa la maggior parte dei fisici, non si sottraggono alle leggi della termodinamica. Questi sistemi fisici possiedono dunque un’entropia, anche se ancora non c’è un vero accordo sull’origine microscopica di questa proprietà e il modo di calcolarla. Un gruppo di ricercatori SISSA / Max Planck Institute (Potsdam) ha ottenuto un risultato importante in questo calcolo applicando un nuovo formalismo (la Group Field Theory) della Loop Quantum Gravity (LQG), un approccio molto popolare nell’ambito della gravità quantistica.
Il risultato concorda con la famosa legge di Bekenstein e Hawking, secondo cui l’entropia di un buco nero è proporzionale ad un quarto della sua area, evitando però molte delle assunzioni e semplificazioni fatte in tentativi teorici di LQG precedenti, e porta inoltre prove a favore dell’ipotesi olografica, secondo cui il buco nero che ci appare tridimensionale potrebbe essere matematicamente ridotto a una proiezione bidimensionale. Di principio niente che entri in un buco nero può uscire dal buco nero. Questo complica notevolmente lo studio di questi corpi misteriosi sui quali, a partire dal 1916, anno in cui sono stati ipotizzati come conseguenza diretta della Teoria della Relatività di Einstein, generazioni di fisici hanno dibattuto.
C’è però un certo accordo nella comunità scientifica sul fatto che essi possiedano un’entropia, perché altrimenti la loro esistenza violerebbe la seconda legge della termodinamica. In particolare Jacob Bekenstein e Stephen Hawking hanno suggerito che l’entropia – che in maniera molto generale possiamo considerare come una misura del disordine interno di un sistema fisico – del buco nero sia proporzionale alla sua area, e non al suo volume come sarebbe intuitivo supporre. Da questa considerazione ha origine anche l’ipotesi “olografica” dei buchi neri, che (descrivendola molto grossolanamente) suggerisce che ciò che ci appare tridimensionale potrebbe essere in realtà un’immagine proiettata su un lontano orizzonte cosmico a due dimensioni, proprio come un ologramma che pur essendo un’immagine bidimensionale ci appare tridimensionale. Poiché non possiamo guardare dentro l’orizzonte degli eventi (il limite esterno del buco nero), i microstati interni che definiscono l’entropia sono inaccessibili, e dunque com’è possibile calcolare questa misura?
L’approccio teorico di Hawking e Bekenstein è semiclassico (una sorta di ibrido fra fisica classica e meccanica quantistica) e introduce la possibilità (o la necessità) di adottare un approccio di quantum gravity in questi studi, in modo da poter ottenere una comprensione più fondamentale della fisica dei buchi neri. La lunghezza di Planck è la dimensione (piccolissima) alla quale lo spazio-tempo smette di essere continuo come lo vediamo noi, e assume una grana discreta, fatta di quanti, gli ‘atomi’ dello spazio-tempo. l’Universo a questa dimensione è descritto dalla meccanica quantistica. La Quantum Gravity è l’ambito che studia la gravità nel quadro di riferimento della meccanica quantistica: questa forza è infatti un fenomeno molto ben descritto nell’ambito della Fisica Classica, ma non è ancora del tutto chiaro come si comporti alla scala di Planck.
Daniele Pranzetti e colleghi in un nuovo lavoro pubblicato su Physical Review Letters propongono un risultato importante che nasce dall’applicazione di un formalismo di seconda quantizzazione della Loop Quantum Gravity (LQG), un approccio teorico al problema della quantum gravity, e la Group Field Theory, che è il “linguaggio” con cui la teoria viene applicata in questo lavoro. «L’idea sulla quale ci siamo basati è che le geometrie classiche omogenee emergano da uno stato condensato dei quanti di spazio introdotti in LQG per descrivere geometrie quantistiche», spiega Pranzetti. «In questo modo abbiamo ottenuto una descrizione degli stati quantistici del buco nero, in grado anche di spiegare la fisica “continua”, ovvero quella dello spazio tempo a noi familiare». Un altro aspetto importante del lavoro di Pranzetti e colleghi è che propone un meccanismo concreto in supporto all’ipotesi olografica, secondo cui la tridimensionalità del buco nero potrebbe essere solo apparente: tutta la sua informazione potrebbe essere in realtà contenuta su una superficie bidimensionale, senza bisogno di dover investigare la loro struttura interna (da qui il legame fra l’entropia e l’area del buco nero e non il volume).
Gli altri due autori dello studio sono Lorenzo Sindoni, ex ricercatore della SISSA ora al Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam in Germania, e Daniele Oriti, sempre del Max Plank. Ortiti descrive così, a Media INAF, l’ipotesi alla base del loro lavoro: «L’idea principale è di sfruttare il formalismo di group field theory (GFT) per “costruire un buco nero” a partire dai mattoncini elementari che, nella teoria di LQG/GFT costituiscono lo spaziotempo, nello stesso senso in cui gli atomi costituiscono un fluido. Una volta fatto questo, diventa possibile studiarne le proprietà termodinamiche (in particolare l’entropia) e anche eventuali proprietà olografiche (che in genere vengono semplicemente date per scontate oppure giustificate a partire dalla teoria della Relatività Generale, che però, dal punto di vista della gravità quantistica, non è una teoria fondamentale) in maniera esplicita e direttamente a partire dalla sua struttura microscopica. E questo è quello che facciamo».
«Abbiamo realizzato esplicitamente l’idea di cui sopra», continua Ortini, «costruendo una classe di stati microscopici (cioè appropriate configurazioni di un gran numero dei costituenti quantistici elementari) che hanno, a livello macroscopico, le proprietà base di un buco nero sferico. Il modello descrive un buco nero come un “condensato quantistico” (più precisamente definendo una sequenza di condensati ciascuno dei quali descrive una “sfoglia sferica” e poi incollando tutte queste sfoglie l’una all’altra per formare una sfera piena – un po’ come si forma una cipolla sferica a partire dai suoi strati interni). L’orizzonte è la sua superficie più esterna». Un “condensato” è una collezione di ‘atomi’, in questo caso si tratta di quanti di spazio, che hanno tutti le stesse proprietà, e quindi pur essendo tantissimi, è possibile tuttavia descrivere il loro comportamento collettivo in maniera semplice, facendo riferimento alle proprietà microscopiche di una sola particella. Ecco che allora appare più chiara l’analogia con la termodinamica classica: come alla nostra scala i liquidi, pur composti da un numero enorme di atomi, ci appaiono come materiali continui, allo stesso modo nello scenario della quantum gravity dagli atomi costituenti fondamentali dello spazio emerge una sorta di fluido, ossia lo spazio-tempo continuo. Una geometria continua e omogenea (come quella di un buco nero a simmetria sferica) può, come suggeriscono Pranzetti e colleghi, essere descritta come un condensato, il che rende più maneggevole il calcolo matematico sottostante, pur tenendo conto di un numero a priori infinito di gradi di libertà.
«Abbiamo così potuto usare un modello più completo e ricco di quanto sia stato fatto in passato nell’ambito della LQG, ottenendo un risultato molto più realistico e robusto», osserva Pranzetti. «Questo permette di risolvere delle ambiguità che affliggevano i risultati precedenti, dovute al confronto di questi modelli semplificati con i risultati dell’analisi semi-classica, come quella fatta da Hawking e Bekenstein».
«Una volta definita questa costruzione in tutti i suoi dettagli», aggiunge Oriti, «uno può assumere di sapere “da cosa è fatto un buco nero” a livello microscopico, e studiarne le proprietà su questa base. Rispetto agli studi precedenti, la novità sta sia nel fatto che si fanno i conti appunto a partire da un modello “realistico” definito nella teoria fondamentale (piuttosto che in qualche modellino semplificato che cerchi di catturarne solo alcuni aspetti), e che ne cattura molti più dettagli microscopici: per esempio la sovrapposizione quantistica e l’entanglement tra costituenti elementari».
Sono previsti follow up per lo studio? «Ci sono vari progetti con cui stiamo sviluppando questo modello e la sua analisi. Uno ha a che vedere con la dinamica del buco nero e dell’orizzonte così modellato (cioè vogliamo capire quali transizioni microscopiche possono portare da una configurazione macroscopica del buco nero a un’altra, per esempio a un buco nero più grande. Un altro ha a che vedere con lo studio delle altre proprietà termodinamiche di questo orizzonte (oltre la sua entropia) e, più in generale, di geometrie macroscopiche, a partire dai loro costituenti quantistici microscopici. Un altro ancora, forse prioritario, sempre nel caso di un buco nero, si propone di ottenere anche una descrizione microscopica fondamentale della radiazione di Hawking, emessa dal buco nero stesso», conclude Oriti.
di Red Hanuman (Astronomia.com)

C’è un buco nero di grossa taglia vicino a noi

I buchi neri supermassicci sono giganti cosmici, con masse che vanno da qualche milione fino a miliardi di volte quella del Sole. Si pensa che al centro di quasi tutte le galassie ce ne sia uno, ma quello che ha scoperto di recente un team internazionale di astronomi è senza dubbio un buco nero da record: contiene circa 17 miliardi di soli. La scoperta implica che questi colossi potrebbero essere più comuni di quanto pensiamo. Fino ad oggi i buchi neri supermassicci più grandi che conoscevamo avevano masse pari a 10 miliardi di volte quella del Sole, e si trovavano in galassie molto grandi, all’interno di ammassi di galassie molto densi. L’attuale detentore del record di massa si trova nell’ammasso della Chioma, e contiene circa 21 miliardi di masse solari. Il buco nero appena scoperto si trova invece all’interno della galassia NGC 1600, nella direzione opposta del cielo rispetto all’ammasso della Chioma, in una regione apparentemente scarsa di galassie a circa 200 milioni di anni luce dalla Terra. Tutte queste caratteristiche rendono molto interessante questo gigante, spiega Chung-Pei Ma, professoressa presso l’Università della California, nonché a capo della campagna osservativa MASSIVE dedicata alle galassie vicine e massicce. Se trovare un buco nero di grandi dimensioni in una galassia massiccia e collocata in una regione affollata è abbastanza prevedibile, lo è decisamente meno immaginare di scoprirne in regioni più sgombre dell’Universo. «Gli ammassi ricchi di galassie come quello della Chioma sono molto rari, ma esistono un paio di galassie delle dimensioni di NGC 1600 all’interno di gruppi di media grandezza», dice Ma. «Quindi ora viene da domandarsi se questo oggetto possa rappresentare solo la punta di un iceberg». Un aspetto interessante della scoperta è la precisione con cui conosciamo la stima di massa del buco nero di NGC 1600. Mentre quello scoperto nel 2011 all’interno della galassia NGC 4889, nell’ammasso della Chioma, aveva un limite superiore di 21 miliardi di masse solari e un limite inferiore di 3 miliardi di masse solari, la stima per NGC 1600 è molto più precisa, con un intervallo di masse possibili tra 15.5 e 18.5 miliardi di masse solari. È interessante inoltre notare che le stelle in rotazione attorno al nucleo centrale di NGC 1600 si muovono come se il buco nero appartenesse a un sistema binario. I sistemi di questo tipo sono piuttosto comuni nelle galassie di grandi dimensioni, poiché si ritiene che le galassie crescano attraverso fusioni successive con altre galassie, ognuna delle quali ospita molto probabilmente un buco centrale. Questi buchi neri verrebbero quindi fusi all’interno del nucleo di una nuova e più grande galassia in seguito ad una reciproca danza orbitale, dando luogo a un buco nero più grande ed emettendo onde gravitazionali. La campagna osservativa MASSIVE, iniziata nel 2014, è stata promossa e sostenuta dalla National Science Foundation e ha lo scopo di ottenere stime di massa per stelle, materia oscura e buchi neri centrali appartenenti a 100 galassie massicce e vicine. Più precisamente, si occupa di galassie con più di 300 miliardi di masse solari, ed entro 350 milioni di anni luce di distanza dalla Terra. Il buco nero supermassiccio trovato nella galassia NGC 1600 è uno dei primi successi del progetto, e dimostra ancora una volta il valore della ricerca sistematica del cielo notturno. Se il gruppo di ricercatori si fosse limitato all’osservazione di regioni ad alta densità di galassie, infatti, questa scoperta non sarebbe mai stata possibile. I dati che hanno permesso di scovare il buco nero oversize sono stati raccolti dal telescopio spaziale Hubble e dai telescopi da Terra Gemini alle Hawaii e McDonald Observatory in Texas. Grazie ai dati spettrali raccolti dal telescopio Gemini è stato possibile notare che le stelle localizzate nei pressi del buco nero viaggiano pressoché tutte lungo orbite circolari, con pochissime eccezioni di movimenti radiali verso l’interno o verso l’esterno. Questo potrebbe indicare che le stelle più vicine al buco nero sono state scagliate via da un effetto fionda, simile a quello che sfruttano le sonde spaziali per prendere velocità durante i loro viaggi interplanetari. I dati indicano che il responsabile di questa centrifuga cosmica potrebbe essere un sistema binario di buchi neri. Se, come sembra, NGC 1600 contiene davvero una coppia di buchi neri con una massa totale di 17 miliardi di soli in orbita uno attorno all’altro a una distanza di una frazione di anno luce, gli attualiPulsar Timing Array dedicati alla ricerca onde gravitazionali dovrebbero essere in grado di captare l’emissione di questo sistema, spiega Chung-Pei Ma. Le immagini raccolte dal telescopio spaziale Hubble hanno rivelato che la zona centrale di NGC 1600 è insolitamente debole, indicando una mancanza di stelle vicine al buco nero. Questa caratteristica distingue le galassie massicce da quelle ellittiche standard, che sono molto più brillanti al centro. «Un’impronta tipica di un buco nero binario è la pulizia del nucleo causata da effetti dinamici», dice Ma. Questa caratteristica aiuterà il team di ricercatori a raffinare la campagna osservativa MASSIVE, e a trovare altri buchi neri supermassicci nelle regioni più vicine alla Terra.
di Elisa Nichelli (INAF)

Buchi neri extra large

I buchi neri supermassicci potrebbero consumare una massa pari a 50 miliardi di Soli prima di perdere il disco di gas da cui dipende la loro esistenza. E’ la conclusione a cui arriva nel suo articolo il professor Andrew King del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Leicester, che fa il punto sulle fenomenologia dei buchi neri supermassicci, circondati da dischi di accrescimento di gas, che risiedono nel cuore delle galassie. I risultati di questo studio sono riportati su Monthly Notices Letters of the Royal Astronomical Society (MNRAS)Il gas che forma il disco di accrescimento può perdere energia e riversarsi verso le regioni centrali, alimentando in questo modo il buco nero. Tuttavia, è noto che questi dischi non solo sono instabili ma sono propensi a disintegrarsi formando stelle. King ha eseguito una serie di calcoli per capire fino a che punto può crescere la massa di un buco nero, mantenendo ancora il suo disco di accrescimento: la risposta è 50 miliardi di Soli. Inoltre, lo studio suggerisce che senza un disco di accrescimento, il buco nero non sarebbe in grado di alimentarsi, il che implica che 50 miliardi di masse solari rappresentano approssimativamente il limite superiore della massa. L’unico modo che gli permetterebbe di diventare ancora più massiccio sarebbe il processo di cattura di una stella, che passa nelle sue vicinanze, oppure la fusione (merger) con un altro buco nero. «Finora, gli astronomi hanno trovato quegli oggetti la cui massa è vicina al valore massimo attraverso l’osservazione dell’enorme quantità di energia emessa dal gas presente nel disco man mano che precipita verso il buco nero», spiega King. Il significato di questo risultato implica che questo processo non dovrebbe far incrementare ulteriormente la massa, una volta cioè che viene consumato il disco di accrescimento. «In linea di principio, sono ancora possibili buchi neri che hanno masse più grandi», continua King. «Ad esempio, un buco nero che ha una massa vicina al valore limite potrebbe ‘fondersi’ con un altro buco nero e il risultato sarebbe un oggetto di massa superiore. Tuttavia, durante questo processo non si avrebbe emissione di energia dato che l’oggetto risultante dal merger non sarebbe più circondato da un disco di gas da cui avrebbe origine la radiazione». «In ogni caso», conclude King, «il buco nero potrebbe essere rivelato in altri modi, ad esempio attraverso l’effetto della curvatura dei raggi luminosi, come previsto dalla relatività generale, o forse, in futuro, attraverso la rivelazione di onde gravitazionali che la teoria di Einstein predice quando avviene un merger».

Un’eruzione mostruosamente energetica

Sono di un’intensità senza precedenti le esplosioni cosmiche che a partire dallo scorso 15 giugno sono state rivelate dal satellite Swift della NASA. Ad indagarle è stato un team internazionale di ricercatori tra cui alcuni dell’INAF, soprattutto grazie alle ulteriori osservazioni dell’osservatorio orbitante per l’astrofisica delle alte energie INTEGRAL dell’ESA. Le potentissime esplosioni sono state prodotte da V404 Cygni, una sorgente di alta energia nella costellazione del Cigno. Gli astrofisici ne hanno identificato la natura: è un buco nero di massa stellare, cioè generato dal collasso di una stella massiccia avvenuto al termine del suo ciclo evolutivo, che ora detiene il record dell’intensità del flusso di alta energia, mai registrata prima da una sorgente cosmica. Questo è in parte dovuto alla sua vicinanza, trovandosi a circa 8000 anni luce da noi. V404 Cygni ha una massa di circa 10 volte quella del Sole ed è legato gravitazionalmente ad una stella “normale”, simile al nostro Sole, da cui sta risucchiando parte del materiale di cui è costituita. Nel suo viaggio verso il buco nero, questa materia cade con un moto spiraleggiante formando attorno ad esso quello che prende il nome di disco di accrescimento, delle dimensioni dell’ordine delle migliaia di km. In questo precipitare, la materia si surriscalda e nella corona calda che si forma nella vicinanze del buco nero essa puo’ raggiungere temperature fino a centinaia di milioni di gradi, emettendo radiazione di alta energia, sotto forma di raggi X e gamma.  Il materiale viene quindi in parte espulso attraverso due getti che si allontanano in direzioni opposte con velocità prossime a quella della luce. «La forte intensità di questi getti, che in un solo minuto possono trasportare l’energia prodotta dal Sole in diversi mesi, ci permette di studiare con una sensibilità senza precedenti la fisica dei fenomeni estremamente energetici che avvengono in prossimità dell’orizzonte degli eventi di un buco nero» dice il primo autore dello studio, apparso su Astrophysical Journal Letters, Lorenzo Natalucci, dell’INAF-IAPS. E l’indagine condotta dai ricercatori mette in evidenza un’emissione estremamente variabile a tutte le lunghezze d’onda, un po’ come fuochi d’artificio. Mentre nella banda radio si vedono chiaramente i getti quando sono a una certa distanza dal buco nero, nei raggi X e gamma si può vedere il momento in cui i blob di materia vengono espulsi, in prossimità dell’orizzonte degli eventi. Un risultato assai importante per lo studio di questi fenomeni, ottenuto grazie all’eccezionale qualità dei dati prodotti da INTEGRAL, che non ha rivali come sensibilità delle osservazioni nei raggi gamma. Questi processi di accrescimento ed espulsione di materia funzionano anche su scala molto più grande, quella dei buchi neri cosiddetti “supermassicci”, aventi una massa da milioni a miliardi di volte maggiore e che si trovano al centro delle galassie. La fisica di questi buchi neri è molto difficile da studiare perché il moto della materia e i parametri fisici della regione vicina al buco nero variano con cicli di centinaia o migliaia di anni, quindi inaccessibili all’osservazione diretta. D’altra parte è dimostrato che i buchi neri supermassicci influenzano l’evoluzione delle galassie e dell’Universo su larga scala, e quindi è fondamentale capire come funzionano. «Nei microquasar come V404 Cygni questi cicli avvengono su tempi scala di minuti o anche meno, ed è quindi possibile studiare in dettaglio gli effetti legati al rilascio di energia gravitazionale in condizioni estreme.  I microquasar sono quindi dei “laboratori” ideali per studiare questi fenomeni, che non potrebbero essere mai riprodotti in un sito terrestre» aggiunge Pietro Ubertini, direttore dell’Istituto INAF/IAPS di Roma e co-autore dello studio.
Redazione Media Inaf

Il buco nero oversize

Al centro di una galassia scoperta di recente c’è un buco nero supermassiccio molto più grande di quanto previsto dalle attuali teorie di evoluzione galattica. Lo studio, svolto da astronomi della Keele University e dela University of Central Lancashire, mostra che il buco nero è molto più massiccio di quanto dovrebbe essere in rapporto alla massa della galassia che lo ospita. Gli scienziati hanno pubblicato i loro risultati in un articolo apparso sul Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Un’immagine della galassia SAGE0536AGN raccolta durante la campagna osservativa Vista Magellanic Clouds. La galassia è l’oggetto ellittico al centro del campo di vista.
Un’immagine della galassia SAGE0536AGN raccolta durante la campagna osservativa Vista Magellanic Clouds. La galassia è l’oggetto ellittico al centro del campo di vista.
La galassia, chiamata SAGE0536AGN, è stata scoperta con il telescopio spaziale Spitzer della NASA. Si ritiene che abbia almeno 9 miliardi di anni e che contenga un nucleo galattico attivo, un oggetto incredibilmente luminoso, risultato dell’accrescimento di gas da parte di un buco nero centrale supermassiccio. Il gas viene accelerato a velocità elevate a causa dell’intenso campo gravitazionale esercitato dal buco nero, e questo provoca l’emissione di luce da parte del gas stesso. Il team ha ottenuto un’ulteriore conferma misurando la velocità del gas che ruota attorno al buco nero. Utilizzando il Southern African Large Telescope, gli scienziati sono riusciti ad osservare l’allargamento della riga di emissione dell’idrogeno nello spettro della galassia. L’allargamento è dovuto all’effetto Doppler, ovvero al fatto che la luce si sposta verso il blu o il rosso a seconda che la sorgente si stia rispettivamente muovendo verso di noi o allontanando da noi. Il grado di allargamento osservato implica che il gas si sta muovendo ad alta velocità, a causa della forte attrazione gravitazionale esercitata dal buco nero. Questi dati sono stati utilizzati per calcolare la massa del buco nero, dal momento che più il buco nero è massiccio, più si allargherà la riga di emissione. Stando ai calcoli, il buco nero al centro di SAGE0536AGN contiene una massa pari a 350 milioni di masse solari, mentre la massa della galassia ospite risulta essere di circa 25 miliardi di masse solari. Questo significa che la galassia è settanta volte più grande del buco nero centrale, e quindi che il buco nero è trenta volte più grande di quanto ci si aspetta per questo tipo di galassia. «Le galassie possono avere anche masse molto elevate, così come i buchi neri nel loro nucleo. Questo, però, è davvero fuori misura… Non dovrebbe proprio essere possibile osservarne di così grandi», ha detto Jacco van Loon, astrofisico presso la Keele University e autore principale dell’articolo. Nelle galassie normali il buco nero centrale dovrebbe crescere allo stesso tasso della galassia ospite, ma forse quello di SAGE0536AGN è cresciuto molto più rapidamente, oppure la galassia smesso di crescere troppo presto. Siccome questa peculiare galassia è stata scoperta per caso, ci possono essere molti altri oggetti simili che aspettano solo di essere scoperti. Il tempo ci dirà se SAGE0536AGN è effettivamente un oggetto stravagante, o se si tratti della prima di una nuova classe di galassie.
di Elisa Nichelli (INAF)

Il rapporto 3 a 2 fa il buco nero intermedio

Esiste una via di mezzo tra i buchi neri di poche masse solari e i supermassicci delle dimensioni anche di miliardi di masse solari già conosciuti dagli astronomi? I ricercatori pensano di si, ma con qualche dubbio che illustrammo qualche anno fa su Media INAF (Il buco nero medio non esiste?). Esistono una mezza dozzina di possibili candidati, ma non si è ancora certi. Un team di astronomi dellaUniversità del Maryland e del Goddard Institute della NASA pensa di aver trovato un nuovo candidato ad esser classificato come buco nero intermedio, grande circa 5000 masse solari. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal Letters. Questo risultato, che si avvale di una tecnica di misura già utilizzata dagli stessi ricercatori nel 2014 su dati del satellite NASA Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE), «fornisce sostegno all’idea che i buchi neri esistono su tutte le scale dimensionali» secondo l’autore Dheeraj Pasham, post-doc allo Space-Science Institute Joint, un partenariato di ricerca tra il dipartimento di astronomia dell’Università del Maryland e il Goddard Institute. «Quando si descrive qualcosa per la prima volta, c’è sempre qualche dubbio. L’Identificazione di un secondo candidato con un diverso strumento dà fiducia sulla tecnica usata». I dati usati, infatti, in questo caso sono quelli del satellite dell’ESA XMM-Newton. «Per fare un’analogia con strumenti acustici, se immaginiamo  i buchi neri di massa piccola come  il violino e i buchi neri supermassicci come il contrabbasso, i buchi neri di massa  intermedia sono il violoncello», ha sottolineato il co-autore Francesco Tombesi, astrofisico del Goddard associato INAF, recentemente autore di una ricerca che ha conquistato la prima pagina di Nature (vedi Media INAF)NGC1313X-1, il candidato buco nero, è classificato come una sorgente di raggi X ultraluminosa. Non è chiaro perché sia tra le più brillanti sorgenti di raggi X nell’universo vicino, ma secondo alcune ipotesi dipende dal suo attivo procacciarsi di materia che, spiraleggiando verso di esso, si surriscalda per attrito e produce enormi quantità di raggi X. Una particolarità rilevata dagli autori è che questa tipologia di buchi neri emetterebbe due serie di impulsi di energia, ciascuna con una periodicità costante e in rapporto tre a due tra loro. Lo stesso rapporto rilevato con le analisi fatte nel 2014. Questa costanza di rapporto nella frequenza degli impulsi di radiazione sarebbe quindi un elemento caratteristico dei buchi neri di massa intermedia, prodotti dall’attività prossima al buco nero intermedio e “tenuta al guinzaglio” dalla forte gravità del buco nero stesso.
Francesco Rea (INAF)

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