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Sagittarius A*: misurato lo spin del buco nero

Un buco nero, almeno nella nostra attuale comprensione, è caratterizzato dal fatto di non avere “capelli”, cioè è così semplice che può essere completamente descritto da soli tre parametri, la sua massa, il suo spin e la sua carica elettrica. Anche se può essersi formato da una complessa miscela di materia ed energia, tutti gli altri dettagli vengono persi durante la sua formazione.

Il campo gravitazionale forma una superficie dalla quale la luce non può scappare e quindi, da fuori, appare nero. Tutti i dettagli della materia che cade al suo interno vengono persi e la singolarità può essere descritta da tre parametri: massa, carica elettrica e lo spin.

La massa può essere misurata facilmente osservando il moto degli oggetti vicini, come stelle o eventualmente pianeti. La carica è solitamente trascurabile: elettroni e protoni solitamente si bilanciano in numero, restituendo una carica elettrica totale che è nulla.

Misurato lo spin di Sagittarius*, il buco nero supermassivo al centro della Via Lattea

Lo spin è sicuramente il parametro più difficile da misurare (il primo caso è molto recente), solitamente viene dedotto a partire dall’emissione nei raggi-X che proviene dal buco nero. Lo spin è espresso con un numero compreso tra -1 (rotazione in senso orario) e +1 (rotazione in senso antiorario), il tuto è normalizzato rispetto alla velocità massima di rotazione.

La Via Lattea ospita un buco nero supermassivo al suo centro, Sagittarius A* , ed è il più vicino a noi e, anche se non è attivo come altri nuclei galattici, la sua relativa vicinanza lo rende il candidato principale per studiare le proprietà dei buchi neri. Ancora non abbiamo misurato la sua velocità di rotazione. Per la scoperta di SgtA*, i fisici Ghez e Genzel hanno vinto il Nobel per la Fisica 2020.

Gli astronomi Giacomo Fragione e Avi Loeb hanno realizzato che la distribuzione spaziale di un gruppo di oggetti, le così dette S-stars, può essere utilizzata per dedurre lo spin. Queste stelle si trovano in due dischi vicini, con i corpi su ogni disco che orbitano intorno al buco nero a velocità diversa. Gli astronomi hanno capito che questa strana geometria è la chiave per misurare lo spin.

Una delle proprietà più strane della Relatività Generale è che lo spazio-tempo viene modificato, non solo dalle masse ma anche dalla rotazione dei corpi. L’effetto, chiamato “frame-dragging”, è molto difficile da misurare. Secondo i due astronomi, questo fenomeno ha un’influenza importante sul moto delle S-stars e, assumendo che l’orbita delle stelle sia stabile, lo spin che si può dedurre misura 0.1

Frame-dragging e trascinamento dello spazio-tempo

Nella costellazione del Cigno, circa 7.800 anni luce lontano da noi, esiste un buco nero estremamente particolare. Nel 2015,telescopi da tutto il mondo lo hanno osservato perché si è risvegliato dalla sua fase dormiente per iniziare a crescere. Quel singolo evento ha prodotto una quantità di dati tale che gli astronomi stanno ancora analizzando.

Questo è uno dei buchi neri più straordinari che io abbia osservato,” ha detto l’astrofisico James Miller-Jones, della Curtin University in Australia. Molti buchi neri presentano delle forti emissioni, anche quello al centro della nostra galassia, ma questo presenta una caratteristica insolita: i jet relativistici, prodotti durante la fase di accrescimento, sono talmente rapidi che possiamo vedere la loro evoluzione in alcuni minuti.

buco nero

V404 Cygni (questo è il nome dell’oggetto compatto) è una microquasar in un sistema binario; composto dal buco nero, con massa pari a 9 volte quella del Sole, e da una gigante rossa.

Il buco nero sta lentamente divorando la stella; il materiale proveniente dalla gigante rossa ha formato un disco di accrescimento. La regione più interna del disco è incredibilmente calda e densa, ed emette una radiazione fortissima. L’accrescimento di materia è la causa dei jet, plasma caldissimo che viene emesso in direzione perpendicolare al disco.

Gli scienziati non conoscono benissimo il meccanismo dietro la produzione di jet; pensano che il materiale proveniente dall’interno del disco segua le linee del campo magnetico, il quale agisce come un acceleratore di particelle che porta il gas a velocità tremende.

Tuttavia, V404 Cygni, emette dei jet in differenti direzioni al passare del tempo, con tempi scala molto brevi e con velocità pari al 60% della velocità della luce. Queste strane caratteristiche lo rendono unico nella sua categoria.

Pensiamo che il disco e il buco nero non siano ben allineati,” afferma Miller-Jones. “Questo sembra generare un’oscillazione della parte più interna del disco che emette jet in differenti direzioni.”

Esiste quindi un fenomeno di precessione dell’asse di rotazione del disco, per spiegare questo fenomeno abbiamo bisogno di ricorrere alla relatività generale. Nella sua teoria, Einstein aveva predetto un fenomeno chiamato “frame-dragging”: mentre ruota, il campo gravitazionale del buco nero è talmente intenso da trascinare lo spazio-tempo con se.

L’effetto di “frame-dragging” spinge la parte deformata del disco insieme alla rotazione del buco nero, questo porta i jet a diffondersi in ogni direzione.

Questo è l’unico meccanismo che siamo in grado di ipotizzare per spiegare la rapida precessione osservata in V404 Cygni,” spiega Miller-Jones.

C’è ancora molto lavoro da fare e i dati da analizzare sono ancora molti, ma questa sembra essere l’ennesima conferma della solidità della Relatività Generale, come lo è stato la famosa foto di un buco nero.

Misura della velocità di rotazione di un buco nero

E’ stata misurata anche la velocità di rotazione di buco nero “visibile” nella Via Lattea, aggiungendo un altro pezzo al puzzle di questi giganteschi oggetti. Ma come si misura la velocità di rotazione di un buco nero? L’osservazione è difficilissima ed è un piccolo capolavoro di fisica sperimentale.

La singolarità, chiamata 4U1543-4, orbita a 24.700 anni luce dalla Terra. È uno dei pochi oggetti di questo tipo che gli scienziati hanno trovato nella nostra Galassia, è 9,4 volte più massivo del Sole. I fisici credono che tutti i buchi neri siano simili e si differenziano solo per 3 numeri: la massa, la carica elettrica e la velocità di rotazione.

In teoria un buco nero può avere carica positiva o negativa, rispettivamente se ha assorbito più protoni o più elettroni. Ma, come la maggior parte degli oggetti nell’Universo, ci si aspetta che in media abbia “mangiato” un numero simile di queste particelle e che quindi la sua carica netta sia prossima allo zero. Queste proprietà sfatano alcuni falsi miti sui buchi neri.

Come ogni cosa nello spazio, anche la singolarità che si trova dietro l’orizzonte degli eventi, il punto dopo il quale neanche la luce può scappare, ruoti grazie a tutto il momento angolare che ha assorbito nel corso di migliaia di anni di esistenza. A differenza di stelle e pianeti, non c’è un modo di osservare direttamente la sua rotazione, quindi come siamo riusciti a scoprire la sua velocità?

Gli astronomi hanno deciso di concentrarsi su cosa circonda il buco nero: la nube di materia al di fuori dell’orizzonte degli eventi viene tirata grazie alla rotazione della singolarità. Misurando lo spin della nube, la sua velocità di rotazione, possiamo stimare quella del buco nero.

Osservare una nube a 24.700 anni luce di distanza non è semplice e gli astronomi non hanno la possibilità di osservare uno spicchio di gas che effettua una rotazione completa. Per questo hanno misurato dei brillamenti nei raggi X prodotti quando il gas accelera a velocità estreme.

Due tentativi precedenti avevano fornito dei dati non consistenti, questo nuovo approccio ha sfruttato i dati di un’attività molto intensa che ha prodotto dei brillamenti molto luminosi. Gli astronomi descrivono la velocità di rotazione con numeri compresi tra -1 e +1, dove 0 è un buco nero che non ruota, mentre gli estremi descrivono una rotazione a velocità massima oraria o antioraria.

Più è alta la velocità di rotazione più si riduce il diametro dell’orizzonte degli eventi, tuttavia quest’ultimo non può scomparire e rivelare la singolarità stessa. Questa proprietà determina la velocità massima di rotazione di un buco nero.

I ricercatori hanno trovato che il buco nero ruota con una velocità compresa tra 0,82 e 0,59 e il valore più probabile è 0,67. Secondo gli autori dell’articolo, il suo spin è moderato per un buco nero della sua massa.

Il bagliore emesso da Sagittarius A*

Il buco nero supermassiccio nel cuore della Via Lattea, Sagittarius A*, è relativamente silenzioso. Non è un nucleo attivo che emette luce e calore nello spazio circostante, e la maggior parte delle volte la sua attività è minima.

sagittarius A

Di recente però, gli astronomi hanno osservato il buco nero diventare 75 volte più luminoso, per poi tornare ai livelli conosciuti. Questa è la prima volta che osserviamo Sgr A* diventare così luminoso nelle lunghezze d’onda vicine all’infrarosso.

All’inizio ero piuttosto sorpreso e poi molto emozionato“, ha detto a ScienceAlert l’astronomo Tuan Do, dell’Università della California di Los Angeles. “Il buco nero era così luminoso che all’inizio l’ho scambiato per la stella S0-2.

Do e il suo team hanno osservato il centro galattico usando l’Osservatorio Weck Keck alle Hawaii per quattro notti all’inizio di quest’anno. Lo strano illuminamento ha avuto luogo il 13 maggio. I buchi neri non emettono alcuna radiazione che può essere rilevata dai nostri strumenti attuali, ma quando gli oggetti vicini vengono attratti dal mostro galattico generano un attrito immenso che può essere osservato.

Il team sta ancora raccogliendo dei dati per cercare di capire il fenomeno, e hanno dato due spiegazioni possibili. La prima è che G2 (una nuvola di gas che si è avvicinata entro 36 ore luce da Sgr A* nel 2014) sia stata risucchiata dal buco nero.

Mentre l’altra possibilità è da attribuire a S0-2, una stella situata vicino al centro della Via Lattea. Quando l’astro è passato vicino al buco nero lo scorso anno potrebbe aver cambiato il modo in cui il gas scorre all’interno del mostro galattico, facendolo diventare più variabile.

Altri telescopi hanno osservato Saggittarius A* negli ultimi mesi, tra cui Spitzer, Chandra, Swift e ALMA, e questi dati potrebbero darci una risposta concreta. “Sto aspettando con impazienza i loro risultati“, ha detto Do.

Buchi neri supermassicci

I buchi neri sono i giganti del nostro Universo e possono raggiungere dimensioni impossibili da concepire. L’ultima scoperta ha sorpreso persino i ricercatori, che hanno osservato uno dei buchi neri più grandi mai visti, con 40 miliardi di volte la massa del Sole.

Per fare un esempio, il buco nero supermassiccio che si trova al centro della Via Lattea, Sagittarius A*, ha una massa di circa 4 milioni di volte quella del Sole, mentre quella di M87, il protagonista della “foto” del secolo ha una massa pari a circa 6.6 miliardi di volte quella del Sole.

Il buco nero mostruoso trovato si trova al centro di una galassia ellittica supergigante a circa 700 milioni di anni luce di distanza, chiamata Holmberg 15A. I calcoli precedenti, basati sulla dinamica della galassia e dell’ammasso, avevano stimato la massa del buco nero, chiamato Holm 15A*, fino a 310 miliardi di volte quella del Sole. Tuttavia, queste erano tutte misure indirette del buco nero.

Questa nuova ricerca segna invece la prima misurazione diretta di un mostro del genere; il documento è stato inviato al The Astrophysical Journal e attende una revisione.

La cosa incredibile è che, secondo il documento, il suo orizzonte degli eventi, ovvero il punto di non ritorno, sarebbe di circa 790 Unità Astronomiche dal centro. Più grande del sistema solare, che ha un diametro di circa 240-260 UA (1 UA è pari a 150 milioni di chilometri, la distanza tra la Terra e il Sole).

Questo non è il buco nero più massiccio mai rilevato, perché il primato appartiene a TON 618, un quasar estremamente luminoso con una massa pari a circa 66 miliardi di volte quella del Sole. Questi risultati però, sono basati su misurazioni indirette.

Analisi di falsi miti sui buchi neri

Il Buco nero è uno degli oggetti più interessanti del nostro universo. Forse il più interessante. Una regione dello spazio con un’attrazione così forte, che nulla può sfuggire alla sua presa, nemmeno la luce. Anche se questo non è affatto vero.

In effetti, gran parte di ciò che pensiamo di sapere sui buchi neri si rivela essere falso, una serie di leggende metropolitane.

Leggenda metropolitana numero 1: Tutti i buchi neri sono neri.

Come dimostrato dalla fotografia in basso, del telescopio Event Horizon, la luce può essere rilevata vicino all’orizzonte degli eventi. Che è il confine tra lo spazio e la regione di maggior gravità del buco nero, da cui “non è possibile scappare” (ma come vedremo anche questa è una leggenda). Parte di questa luce proviene dal disco di accrescimento del buco nero, una struttura piatta simile a un pancake composta da polvere, gas e altri detriti. L’attrito sposta costantemente il materiale del disco verso l’orizzonte degli eventi. La luce proviene anche dai “jet”, che spingono la materia verso l’esterno lungo i poli nord e sud del disco.

Leggenda metropolitana numero 2: Tutti i buchi neri hanno circa le stesse dimensioni.

I buchi neri possono avere diverse dimensioni, definite dalla loro massa. Piccoli buchi neri (vanno da 0.1 millimetri, fino a circa 30 km) sono generalmente il risultato di un collasso relativamente breve e violento di una stella. Recenti studi suggeriscono che i buchi neri intermedi (circa 103 km) si trovino nei nuclei di alcune galassie attive. Mentre i buchi neri super massicci (da 0.001 fino a 400 AU, unità astronomiche. 1 AU è la distanza media del sole dalla terra, 150 milioni di chilometri) si trovano al centro di quasi ogni galassia.

Leggenda metropolitana numero 3: Se ti trovi a poche migliaia di miglia da un buco nero, la sua super gravità ti attirerà al suo centro.

In verità potremmo avvicinarci sorprendentemente a un buco nero. Se ne avessimo uno con una massa uguale a quella del nostro Sole, ad esempio, potremmo avvicinarci a decine di miglia di chilometri. Quindi, immaginiamo di sostituire il nostro sole con un buco nero della stessa massa. Tutti i pianeti continuerebbero a ruotare attorno ad esso, esattamente alla stessa velocità e distanza di adesso.

Leggenda metropolitana numero 4: da un buco nero non esce mai niente.

No. Le radiazioni possono fuoriuscire da un buco nero. Uno dei più famosi contributi scientifici di Stephen Hawking, infatti, è stata una teoria secondo cui un buco nero non è poi così denso, in senso meccanico quantistico. La lenta perdita di quella che ora è conosciuta come radiazione di Hawking, nel tempo, farebbe addirittura lentamente evaporare il buco nero.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Science Alert, Astronomers Just Found an Absolutely Gargantuan Black Hole The Mass of 40 Billion Suns – MICHELLE STARR – 6 AUGUST 2019
  2. Science Alert, Our Galaxy’s Supermassive Black Hole Has Emitted a Mysteriously Bright Flare – MICHELLE STAR – 12 AUGUST 2019
  3. A Strange Black Hole Is Shooting Out Wobbly Jets Because It’s Dragging Spacetime – MICHELLE STARR – 1 JANUARY 2020
  4. Phys.org, La rotazione del buco nero supermassiccio nella Via Lattea – dalla 
  5. Amici della Scienza
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