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ALMA osserva un disco di gas freddo attorno a Sagittarius A

Nuove osservazioni ALMA rivelano un disco mai visto prima di un gas freddo interstellare avvolto attorno al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. Questo disco nebuloso offre agli astronomi nuove intuizioni sul funzionamento dell’accrescimento: il vortice del materiale che penetra la superficie di un buco nero. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature.

Sagittarius A
Immagine ALMA del disco di gas freddo di idrogeno che scorre attorno al buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia. I colori rappresentano il movimento del gas relativo alla Terra: la porzione rossa si sta allontanando, quindi le onde radio rilevate da ALMA sono leggermente allungate, o spostate, verso la parte “rossa” dello spettro; il colore blu rappresenta il gas che si muove verso la Terra, quindi le onde radio vengono leggermente sollecitate, o spostate, verso la parte “blu” dello spettro. Mirino indica la posizione del buco nero. Credito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), EM Murchikova; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello

Attraverso decenni di studio, gli astronomi hanno sviluppato un’immagine più chiara delle vicinanze caotiche e affollate che circondano il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. Il nostro centro galattico si trova a circa 26.000 anni luce dalla Terra e il buco nero supermassiccio lì, noto come Sagittario A * è 4 milioni di volte la massa del nostro Sole.

Ora sappiamo che questa regione è piena di stelle, nuvole di polvere interstellare e un grande serbatoio di gas caldi e altri relativamente più freddi. Si prevede che questi gas orbitano attorno al buco nero in un vasto disco di accrescimento che si estende per alcuni decimi di anno luce dall’orizzonte degli eventi del buco nero.

Fin’ora, gli astronomi sono stati in grado di rappresentare solo la parte tenue e calda di questo flusso di gas in accrescimento che forma un flusso approssimativamente sferico e non mostra alcuna rotazione evidente. Si stima che la sua temperatura sia di circa 10 milioni di gradi centigradi, ovvero circa due terzi della temperatura rilevata nel nucleo del nostro Sole. A questa temperatura, il gas si illumina nella banda dei raggi X, potendolo così studiare dai telescopi a raggi X che orbitano intorno alla Terra, con risoluzione fino a un decimo di anno luce dal buco nero.

Osservazioni precedenti con telescopi a lunghezza d’onda millimetrica hanno rilevato un vasto deposito di gas d’idrogeno relativamente più freddo (circa 10 mila gradi Celsius) a pochi anni luce dal buco nero. Il contributo di questo gas refrigerante al disco di accrescimento del buco nero era precedentemente sconosciuto.

Sebbene il nostro buco nero nel centro galattico sia relativamente in quiete, la radiazione attorno a esso è abbastanza forte da causare la perdita e la ricombinazione degli atomi di idrogeno con i loro elettroni. Questa ricombinazione produce un segnale distintivo di lunghezza d’onda millimetrica che è in grado di raggiungere la Terra con perdite minime lungo il percorso.

buco nero
Impressionante impressione di un anello di gas freddo e interstellare che circonda il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. Nuove osservazioni ALMA rivelano questa struttura per la prima volta.
Credito: NRAO / AUI / NSF; S. Dagnello

Con la sua notevole sensibilità e la potente capacità di vedere i dettagli, l’Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) è stato in grado di rilevare questo debole segnale radio e produrre la prima immagine del disco del gas a circa un centesimo di anno-luce (o circa 1000 volte la distanza Terra – Sole) dal buco nero supermassiccio. Queste osservazioni hanno permesso agli astronomi di mappare la posizione e tracciare il movimento di questo gas. I ricercatori stimano che la quantità di idrogeno in questo disco freddo sia di circa un decimo della massa di Giove o di un decimillesimo della massa del Sole.

Mappando gli spostamenti delle lunghezze d’onda di queste onde radio a causa dell’effetto Doppler (la luce proveniente dagli oggetti che si muovono verso la Terra viene spostata leggermente verso la porzione “blu” dello spettro mentre la luce dagli oggetti che si allontanano è leggermente spostata la parte “rossa” ), gli astronomi hanno visto chiaramente che il gas sta ruotando attorno al buco nero. Queste informazioni forniranno nuovi dettagli sul modo in cui i buchi neri divorano la materia e la complessa interazione tra un buco nero e ciò che lo circonda.

“Siamo stati i primi ad immaginare questo disco inafferrabile e a studiarne la rotazione”, ha detto Elena Murchikova,

membro di astrofisica presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey e autrice principale dell’articolo.

“Stiamo anche esaminando l’accrescimento sul buco nero, uno studio importante perché è il nostro buco nero supermassiccio più vicino, anche se non abbiamo ancora una buona comprensione di come accresce, speriamo che queste nuove osservazioni di ALMA ci aiuteranno a scoprirne i suoi segreti. “

Che cosa è un disco di accrescimento?

Il disco di accrescimento è una formazione di materiale gassoso che orbita attorno a numerosi tipi di oggetti celesti come stelle normali, stelle di neutroni, nane bianche e buchi neri. La loro formazione e’ dovuta all’attrazione gravitazionale che il corpo centrale esercita sul materiale circostante, aumentando la propria massa e la propria velocità di rotazione. Si distinguono tre principali tipologie di formazione di dischi di accrescimento.
Il primo e’ quella che si ha attorno a stelle in formazione, in questo caso i dischi di accrescimento sono chiamati dischi protostellari. Essi si formano durante la prima fase di sviluppo di una stella, detta protostella, quando, in seguito alla caduta gravitazionale di gas e polveri, essa inizia a ruotare attorno a se stessa. Questo fenomeno e’ dovuto a quello che in fisica e’ noto come Principio di Conservazione del Momento Angolare. Cosi’ il materiale che continua ad addensarsi attorno alla stella in formazione, inizia a formare il disco protostellare, aggiungendo massa alla protostella e facendo incrementare la sua velocita’ angolare

disco protostellare

I dischi di accrescimento si formano anche all’interno di sistemi binari. A causa dell’evoluzione di una delle due stelle, che inizia ad incrementare le sue dimensioni, può succedere che del materiale inizi a spiraleggiare attorno alla superficie della stella compagna, dando luogo alla formazione del disco. Questo fenomeno e’ in grado di trasferire massa e momento angolare tra le due stelle. Se la stella attorno a cui si forma il disco e’ una stella di neutroni (tipicamente di densità elevatissima), la sua velocità di rotazione può diventare cosi’ elevata tanto da essere in grado di compiere fino a 700 rotazioni in un solo secondo.

disco di accrescimento

Un’altra tipologia di dischi di accrescimento e’ quella che si forma attorno ai buchi neri centrali dei nuclei delle galassie, che attraggono la materia fino a farla precipitare al loro interno. Poiche’ la galassia e’ in rotazione attorno al suo centro, il suo momento angolare la costringe a formare un disco di accrescimento attorno al buco nero, la cui temperatura nella parte piu’ interna puo’ raggiungere i milioni di gradi

In alcuni casi, come nei dischi di accrescimento attorno a stelle di neutroni e buchi neri di massa stellare (paragonabile a quella di una stella), si verifica una forte emissione di raggi X. Ma a cosa sono dovute queste onde elettromagnetiche di cosi’ grande energia?

Uno dei motivi principali e’ il surriscaldamento degli strati di materiale che costituiscono il disco di accrescimento, mentre spiraleggiano attorno all’oggetto celeste. Infatti, cosi’ come il corpo umano a 36 gradi Centigradi emette radiazione della lunghezza d’onda dell’infrarosso, cosi’ maggiore e’ la temperatura, maggiore sara’ l’energia della radiazione emessa. Per un disco di accrescimento la temperatura puo’ arrivare a superare i 10 milioni di gradi, ed in corrispondenza si avra’ emissione nella banda dei raggi X.

Un altro dei motivi dell’emissione in questa banda si capisce meglio se pensiamo a cosa succede quando lanciamo un sasso per terra: nel punto in cui il sasso e’ caduto si avra’ un piccolissimo aumento di temperatura, con corrispettiva emissione di raggi infarossi.

Allora, poichè come espresso precedentemente, il meccanismo di un disco di accrescimento e’ quello di trasportare materia sull’oggetto centrale, allo stesso modo del sasso lanciato per terra, quando la materia in caduta tocca la superfice dell’oggetto, si ha il surriscaldamento della regione interessata. Nel caso per esempio delle stelle di neutroni si avrà l’emissione di raggi X, che sono molto piu’ energetici di quelli infarossi emessi per la caduta del sasso per terra, poichè la materia in caduta possiede un’accelerazione molto più grande e il surriscaldamento è maggiore.

Così gli astronomi sono in grado di osservare i dischi di accrescimento e determinarne la tipologia, e nel caso dei raggi X utilizzano degli strumenti montati su satelliti in orbita attorno alla Terra. Infatti i raggi X non riescono a superare l’atmosfera terrestre e a raggiungere il suolo, e dunque non possiamo osservare le sorgenti cosmiche di raggi X dalla superficie del nostro pianeta ma dobbiamo costruire dei satelliti che siano in grado di andare oltre l’atmosfera.

Riferimenti e approfondimenti

  1. Elena M. Murchikova, E. Sterl Phinney, Anna Pancoast, Roger D. Blandford. Un bel disco di accrescimento attorno al buco nero del Centro Galattico. Natura , 2019; 570: 83% u201386 DOI: 10.1038 / s41586-019-1242-z
  2. Un’eclisse di buco nero, Le scienze.
  3. Disco di accrescimento, su thes.bncf.firenze.sbn.it, Biblioteca Nazionale Centrale di Firenze.
  4. L’ABC dell’Universo – Disco Accrescimento – Inaf

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