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Sagittarius A* il grande attrattore al centro della Via Lattea

Sagittarius A, la più forte fonte di onde radio cosmiche nella Via Lattea, proveniente dalla direzione della costellazione del Sagittario. La maggior parte delle radiazioni radio proviene da un meccanismo di sincrotrone, che indica la presenza di elettroni liberi e campi magnetici. Sagittario A * viene designata una sorgente puntiforme compatta estremamente luminosa. Le indagini interferometriche a raggi X, infrarossi, spettroscopiche e radio hanno indicato le dimensioni molto ridotte di questa regione. Le osservazioni a infrarossi di stelle che orbitano intorno alla posizione del Sagittario A * dimostrano la presenza di a buco nero con una massa equivalente a 4.310.000 soli.

Finora una nebbia di gas caldo ha sempre impedito agli astronomi di catturare immagini nitide di Sgr A*, il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia, e di comprendere la sua vera natura. Oggi, per la prima volta, gli astronomi sono riusciti a sbirciare attraverso questa fitta nebbia includendo Alma nella rete globale di radiotelescopi sparsi per il mondo. Quello che hanno visto è sorprendente: la regione di emissione è così piccola che la sorgente sembra quasi puntare direttamente in direzione della Terra.

Osservando alla frequenza di 86 GHz con la tecnica Vlbi (Very Long Baseline Interferometry), che combina molti telescopi per formare un unico telescopio virtuale delle dimensioni della Terra, i ricercatori sono riusciti a mappare le proprietà della luce diffusa che ostruisce la vista di Sgr A*. La rimozione della maggior parte degli effetti di diffusione ha prodotto una prima immagine dei dintorni del buco nero.

L’alta qualità dell’immagine così ottenuta ha permesso al team di vincolare i modelli teorici del gas che circonda Sgr A*. Si è trovato che la maggior parte dell’emissione radio proviene da una regione di appena un trentamilionesimo di grado (120 ± 34 μas, o microsecondi d’arco) e la sorgente ha una morfologia simmetrica. «Questo potrebbe indicare che l’emissione radio viene prodotta da un disco di gas che sta precipitando nel buco nero, piuttosto che da un getto radio», spiega Sara Issaoun, dottoranda presso la Radboud University Nijmegen nei Paesi Bassi, che guida la ricerca e ha testato diversi modelli sui dati. «Tuttavia, ciò renderebbe Sgr A* un’eccezione rispetto ad altri buchi neri che emettono onde radio. L’alternativa potrebbe essere che il getto radio stia puntando pressoché nella nostra direzione».

Sagittarius A
In alto a sinistra: simulazione di Sgr A* a 86 GHz. In alto a destra: simulazione con l’aggiunta dell’effetto di scattering. In basso a destra: immagine osservata. In basso a sinistra: l’immagine osservata, dopo aver rimosso gli effetti della diffusione lungo la linea di vista. Crediti: S. Issaoun, M. Mościbrodzka, Radboud University/ M. D. Johnson, CfA

L’astronomo tedesco Heino Falcke, professore di radioastronomia e supervisore del dottorato di Issaoun, trova questa possibilità molto insolita, ma non se la sente di escluderla a priori. Fino all’anno scorso, l’avrebbe trovata forzata, ma recentemente il team di Gravity è arrivato a una conclusione simile usando l’interferometro ottico del Very Large Telescope dell’Eso e una tecnica indipendente. «Forse, dopotutto potrebbe essere verosimile», conclude Falcke, «e stiamo guardando questo mostro da un punto di osservazione molto speciale».

I buchi neri supermassicci sono comuni nei centri delle galassie e possono generare i fenomeni più energetici dell’universo conosciuto. Si ritiene che, intorno a questi buchi neri, la materia cada in un disco in rotazione e parte di essa venga espulsa in direzioni opposte, lungo due stretti canali chiamati getti, a velocità prossime a quella della luce, che tipicamente generano una forte emissione radio. «Il fatto che l’emissione radio di Sgr A* provenga da una struttura simmetrica o asimmetrica sottostante è tuttora oggetto di intensa discussione», spiega Thomas Krichbaum, membro del team.

Sgr A* è il buco nero supermassiccio più vicino e la sua massa è di circa 4 milioni di masse solari. La sua dimensione apparente in cielo è dell’ordine di un centomilionesimo di grado, che corrisponde alle dimensioni di una pallina da tennis sulla Luna vista dalla Terra. Per misurare un qualcosa di così piccolo è necessaria la tecnica interferometrica Vlbi. Inoltre, la risoluzione ottenuta con il Vlbi è ulteriormente migliorata dalla frequenza di osservazione. La frequenza più alta fino ad oggi utilizzata per il Vlbi è di 230 GHz. «Le prime osservazioni di Sgr A* a 86 GHz risalgono a 26 anni fa, guidate da Thomas Krichbaum del nostro istituto, con solo una manciata di telescopi. Nel corso degli anni, la qualità dei dati e le capacità di imaging sono migliorate costantemente con l’arrivo di più telescopi», afferma J. Anton Zensus, direttore del Max Planck Institute for Radio Astronomy e capo della divisione Radioastronomia/Vlbi.

Le scoperte di Issaoun e del suo team internazionale descrivono le prime osservazioni a 86 GHz che hanno visto partecipe anche Alma, il telescopio più sensibile a questa frequenza. Alma è entrato a far parte del Global Millimeter Vlbi Array(Gmva), gestito dal Max Planck Institute for Radio Astronomy, nell’aprile 2017. La sua partecipazione è stata resa possibile dallo sforzo dell’Alma Phasing Project ed è stata decisiva per il successo di questo progetto.

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Antenne ALMA al Llano Chajnantor. Sopra di loro è visibile la luminosa Via Lattea. Crediti: ESO / Y. Beletsky

La partecipazione di Alma nel mm-Vlbi è importante sia per la sua sensibilità sia per la sua posizione nell’emisfero australe. Oltre ad Alma, fanno parte della rete anche dodici radiotelescopi nel Nord America e in Europa. La risoluzione raggiunta dalla rete (pari a ~87 μas) è migliorata di un fattore due rispetto a quella delle precedenti osservazioni a questa frequenza e ha prodotto la prima immagine di Sgr A* nella quale la diffusione interstellare (un effetto causato da irregolarità nella densità del materiale ionizzato lungo la linea di vista tra Sgr A* e la Terra) è considerevolmente ridotta.

Per rimuovere l’effetto e ottenere l’immagine, il team ha utilizzato una tecnica sviluppata da Michael Johnson del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). «Anche se la diffusione sfuoca e distorce l’immagine di Sgr A*, l’incredibile risoluzione di queste osservazioni ci ha permesso di definire le esatte proprietà dello scattering», afferma Johnson. «Potremmo quindi rimuovere la maggior parte degli effetti indotti dallo scattering per vedere come appaiono le cose vicino al buco nero. La bella notizia è che queste osservazioni mostrano che lo scattering non impedirà all’Event Horizon Telescope di vedere l’ombra del buco nero a 230 GHz, sempre che ne abbia una».

Studi futuri a diverse lunghezze d’onda forniranno informazioni complementari e ulteriori vincoli osservativi per questa sorgente, che contiene la chiave per una migliore comprensione dei buchi neri, gli oggetti più esotici dell’universo conosciuto.

Osservazioni in passato

Il 6 ottobre 2002 un gruppo di ricerca internazionale diretto da Rainer Schödel del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics pubblicò gli esiti dell’osservazione per 10 anni del moto della stella S2 nei pressi di Sgr A*: Sgr A* è un oggetto eccezionalmente compatto. Esaminando l’orbita di S2, determinarono che la massa di Sgr A* era compresa entro 2,6 ± 0,2 × 106 M, confinata in un volume dal raggio non superiore alle 17 ore luce (120 UA). Osservazioni successive determinarono una massa di 3,7 milioni di masse solari in un volume dal raggio compreso entro 6,25 ore luce (45 UA), o 6,7 miliardi di km.

Nel novembre 2004 un gruppo di astronomi annunciò la scoperta di GCIRS 13E, primo buco nero di massa intermedia confermato della nostra Galassia, orbitante a 3 anni luce da Sgr A*; questo buco nero di 1 300 M si trova all’interno di un ammasso di sette stelle. Queste osservazioni supportano la teoria secondo cui i buchi neri supermassicci crescono assorbendo materia dalle stelle vicine e da buchi neri di massa inferiore.

Recenti osservazioni dirette con la rete di radiotelescopi Event Horizon Telescope hanno evidenziato un campo magnetico associato al buco nero Sgr A*, campo che alimenta il buco nero stesso. L’attività di Sagittarius A*, al centro della nostra galassia, lo rende una sorta di “motore” che, assimilando la materia di ciò che passa nelle sue vicinanze, produce energia sotto forma di intense radiazioni.

Sagittarius A
Sagittario A *. Questa immagine è stata scattata con l’Osservatorio dei raggi X Chandra della NASA. Le ellissi indicano echi di luce

Poiché le grandi quantità di gas e polveri intorno a Sagittarius A*, e più in generale nei centri galattici, genererebbero stelle massicce che alla fine del proprio ciclo vitale evolverebbero in buchi neri, un gruppo di ricerca ha lavorato su queste premesse utilizzando i dati del telescopio spaziale a raggi X Chandra. Il gruppo ha individuato le firme a raggi X di dodici stelle binarie inattive a bassa emissione, entro tre anni luce da Sgr A*. La posizione e la distribuzione di questi sistemi stellari hanno consentito di ipotizzare la presenza di centinaia di buchi neri silenti entro pochi anni luce da Sgr A*

Qualcosa di insolito fu rilevato già nel 2002, ma fu nel 2012 che fu annunciata la scoperta, pubblicata su Nature, di una nube di gas e polveri che si avvicina velocemente al buco nero. La nube è stata denominata G2 e ha una massa circa tre volte quella terrestre; dai calcoli della sua orbita fu previsto che nella seconda metà del 2013 essa si sarebbe avvicinata a poco più di 3000 volte il raggio dell’orizzonte degli eventi del buco nero, equivalenti a circa 260 UA. Nonostante non sia in rotta di collisione, l’avvicinamento della nube al buco nero potrebbe provocare una notevole emissione di raggi X e anche un brillamento gigante nel punto di massimo avvicinamento, se la nube dovesse frantumarsi per le forze di marea presenti e della materia dovesse cadere nel pozzo gravitazionale del buco nero supermassiccio.

L’origine della nube è incerta; per alcuni scienziati potrebbe essere l’atmosfera esterna persa da una stella massiccia o materia che si stava condensando in un pianeta, la cui formazione però non è avvenuta a causa dell’ambiente troppo caldo. L’evento avrà una durata inferiore a una decina d’anni, un tempo breve su scala astronomica, e sarà osservato dai più grandi radiotelescopi da terra e dai telescopi spaziali in orbita, quali il Chandra, l’XMM-Newton, l’EVLA, l’INTEGRAL, lo Swift e il Fermi.

Simulazioni al computer suggeriscono che la nube non sopravviverebbe all’incontro e che verrebbe disgregata in più parti, alcune della quali cadrebbero nel disco di accrescimento e sarebbero inghiottite dal buco nero; ciò che resta cambierebbe forma e orbita. Nonostante il progressivo avvicinamento al buco nero supermassiccio, G2 si dimostra ancora intatta.

Uno studio in follow-up di precedenti osservazioni di Hubble e pubblicato a gennaio 2017 ha tracciato il movimento dei gas che, in seguito all’espulsione dal buco nero, formano immense strutture (bolle di Fermi) e ha consentito di stimare l’età di queste bolle intorno ai 2 milioni di anni.

Sarebbe circondato da parecchie migliaia di buchi neri minori

Da oltre due decadi però c’è il sospetto che non sia solo ma in buona compagnia: la zona attorno a Sgr A* è circondata da un alone di grandi quantità di gas e polveri, e dove ci sono grandi quantità di materiale non possono che formarsi stelle molto massicce. Le stesse stelle che alla fine del loro ciclo vitale possono trasformarsi in buchi neri.Migliaia e migliaia di buchi neri minori affollerebbero quindi le vicinanze dei buchi neri supermassicci al centro delle galassie, un’ipotesi senza conferme, almeno fino ad oggi.

Proprio il dubbio sulla presenza di questi buchi neri, e di altri provenienti da zone esterne all’alone che vengono attratti e intrappolati da Sgr A*, ha mosso gli sforzi di un team di astronomi guidati dall’astrofisico della Columbia University Charles “Chuck” Hailey, co-direttore del Columbia Astrophysics Lab. Sforzi che si sono concretizzati in un paper in uscita il 5 aprile su Nature.

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L’immagine del centro della Via Lattea visto da Chandra con indicate nei cerchietti azzurri le fonti a raggi X.
Crediti: Nasa/Cxc/Sao/Nature/Hailey et al.

Dove cercare un’affollamento di buchi neri se non al centro della nostra galassia, l’unico posto dove sarebbe stato possibile osservarli? «la Via Lattea – infatti – è l’unica galassia a nostra disposizione dove possiamo studiare come i buchi neri supermassicci interagiscono con quelli piccoli, semplicemente perché non possiamo vedere la loro interazione nelle altre galassie. Da un certo punto di vista, questo è l’unico laboratorio che abbiamo per studiare questo fenomeno» ha spiegato Hailey.

Scuri come la pece e invisibili, i buchi neri quando sono soli sanno come non farsi notare, ma metteteli in compagnia di una stella e diventeranno dei gran chiacchieroni. Può capitare infatti che alcuni buchi neri catturino e si leghino ad una stella di passaggio, formando un sistema binario. Assorbendo materiale dalla compagna, i buchi neri si attivano ed emettono lampi di raggi X. Ma non è così facile osservare questi eventi: «il centro galattico è così lontano dalla Terra che questi lampi sono abbastanza forti e luminosi da essere visti solo una volta ogni 100 o 1000 anni». È necessario trovare un nuovo modo di cercare prove della presenza di questi buchi neri.

Hailey e i suoi colleghi hanno capito che avrebbero dovuto cercare i più deboli ma costanti raggi X emessi quando le binarie sono in uno stato non attivo: «quando i buchi neri si accoppiano con una stella di piccola massa, l’unione emette lampi di raggi X che sono più deboli, ma consistenti e individuabili. Se potessimo trovare buchi neri che sono accoppiati con stelle di piccola massa e sapessimo quale frazione di buchi neri si accoppierà con stelle di piccola massa, potremmo inferire scientificamente la popolazione di buchi neri isolati là fuori».

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Raggi X di Chandra in blu e l’emissione a infrarossi dal Telescopio Spaziale Hubble in rosso e giallo. L’inserto mostra una vista ravvicinata di Sgr A * solo nei raggi X, coprendo una regione larga mezzo anno luce. L’emissione di raggi X diffusa è da gas caldo catturato dal buco nero e tirato verso l’interno. Questo gas caldo proviene da venti prodotti da una distribuzione a forma di disco di giovani stelle massicce osservate nelle osservazioni all’infrarosso.

La soluzione ai problemi dei ricercatori era nell’archivio delle fonti a raggi X del telescopio spaziale Chandra X-ray Observatory. Cercando le firme a raggi X delle binarie a basse emissioni inattive, sono stati in grado di individuarnedodici entro tre anni luce da Sgr A*. Dalla posizione e distribuzione di questi dodici sistemi è stato quindi possibile estrapolare la presenza del numero di sistemi binari e quindi anche dei buchi neri solitari e silenziosi: fra i 300 e i 500 dei primi e oltre 10mila degli altri, tutti entro pochi anni luce da Sgr A*.

«Le implicazioni sono molte», ha constatato Hailey, «permetteranno di far avanzare significativamente la ricerca di onde gravitazionali perché conoscere il numero di buchi neri nel centro di una tipica galassia può aiutare a predire meglio quanti eventi di onde gravitazionali possono essere a loro associati. Tutte le informazioni di cui gli astrofisici hanno bisogno sono nel centro della nostra galassia».

Undici giovani stelle ad appena 3 anni luce

Se da una parte la sua attività passata potrebbe seriamente aver inibito il processo di formazione della vita in una ampia zona della Via Lattea, come suggerisce lo studio pubblicato su Scientific Reports, dalle lontane terre del Chajnantor, nelle Ande cilene, il telescopio Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) cattura i segni rivelatori di undici giovanissime stelle di piccola massa formatesi a una distanza pericolosamente piccola da esso: appena tre anni luce.

Lo studio, pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal Letters, descrive la presenza di stelle in formazione dove in realtà non dovrebbero esservene: la distanza da Sagittarius A* è infatti così ravvicinata che la zona è dominata da potenti forze di marea prodotte dal buco nero supermassiccio, e immersa in un’area densa di raggi ultravioletti e X così energetici da strappare via materia dalle nubi di polvere e gas da cui possono formarsi nuove stelle di piccola massa, paragonabili al nostro Sole. Invece Alma ha rivelato gli spettri di undici protostelle, una tipologia il cui stadio formativo si frappone tra una densa nube di gas e una stella giovane e splendente. La sorprendente scoperta fa riflettere sulle condizioni necessarie per sostenere la formazione di nuove stelle di piccola massa che, a questo punto, può verificarsi anche in una delle regioni più turbolente della nostra galassia e, forse, in luoghi simili in tutto l’universo.

«A dispetto di tutte le probabilità, abbiamo avuto la migliore controprova di come possano formarsi stelle di piccola massa sorprendentemente vicine al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea», dice Farhad Yusef-Zadeh, astronomo della Northwestern University di Evanston, Illinois, e primo autore della ricerca. «Questo è un risultato davvero sorprendente e dimostra quanto sia efficiente la formazione stellare, anche nei posti più improbabili».

centro della Via Lattea
Un’immagine di Alma del centro della Via Lattea che rivela 11 giovani protostelle a circa 3 anni luce dal buco nero supermassiccio della nostra galassia. Le linee indicano la direzione dei lobi bipolari creati dai getti ad alta velocità emesis dalle protostelle. La stella illustrata nel mezzo dell’immagine indica la posizione del Sagittarius A *, il buco nero supermassiccio di 4 milioni di masse solare al centro della nostra galassia. Crediti: Alma (Eso/Naoj/Nrao), Yusef-Zadeh et al.; B. Saxton (Nrao/Aui/Nsf)

Ma la sorprese non finiscono qui. Infatti i dati  di Alma rivelano agli astronomi che queste protostelle hanno circa 6000 anni. «Questo è importante perché è la primissima fase di formazione stellare che abbiamo trovato in questo ambiente decisamente ostile», ha ribadito Yusef-Zadeh.

Ma come hanno capito che si trattava proprio di protostelle? Il team di ricercatori le ha identificate vedendo i classici “doppi lobi” di materiale che si stagliano da esse. Queste forme cosmiche simili a clessidre segnalano le prime fasi della formazione stellare. Le molecole, come il monossido di carbonio (CO), in questi lobi si illuminano intensamente in una luce di lunghezza d’onda millimetrica, che Alma può osservare con notevole precisione e sensibilità. Yusef-Zadeh e il suo team hanno usato Alma per confermare che le masse e le velocità della materia presente nei getti espulsi sono simili a quelle delle giovani protostelle presenti nel disco della nostra galassia.

«Il passo successivo sarà monitorare il destino delle protostelle per verificare e confermare la presenza di dischi di gas polveroso. È probabile che i pianeti si formeranno all’esaurirsi di questo materiale, come nel caso delle giovani stelle nel disco galattico», conclude Mark Wardle, astronomo della Macquarie University di Sydney, in Australia, anch’egli nel team che ha condotto la ricerca.

Zoom in Sagittarius A* –  European Southern Observatory (ESO)

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. The Astrophysical Journal l’articolo “The Size, Shape, and Scattering of Sagittarius A* at 86 GHz: First VLBI with ALMA” di S. Issaoun et al.
  2. Schödel, R. et al. “A star in a 15.2-year orbit around the supermassive black hole at the centre of the Milky Way.” Nature, 419, 694–696, (2002).446
  3. Ghez, A.M. et al. “The First Measurement of Spectral Lines in a Short-Period Star Bound to the Galaxy’s Central Black Hole: A Paradox of Youth.” The Astrophysical Journal, 586, L127–L131, (2003)
  4. Science 4 December 2015: Vol. 350 no. 6265 pp. 1242-1245 DOI: 10.1126/science.aac7087
  5. Charles J. Hailey et al., A density cusp of quiescent X-ray binaries in the central parsec of the Galaxy (abstract), in Nature, 556, pp. 70-73, DOI:10.1038/nature25029.
  6. Nature A density cusp of quiescent x-ray binaries in the central parsec of the galaxy” di Charles J. Hailey, Kaya Mori, Franz E. Bauer, Michael E. Berkowitz, Jaesub Hong & Benjamin J. Hord
  7. The Astrophysical Journal Letters l’articolo “ALMA Detection of Bipolar Outflows: Evidence for Low Mass Star Formation within 1pc of Sgr A*“, di F. Yusef-Zadeh et al.
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