Quando il buco nero si fa uno spuntino

Impressione artistica del gas caldo in orbita attorno a un buco nero che ruota rapidamente. Lo spot allungato rappresenta una regione nel disco che emette raggi X, che consente la determinazione della velocità con la quale il buco nero sta ruotando. Crediti: Nasa/Cxc/M. Weiss

Il 22 novembre 2014 gli astronomi ebbero la fortuna di osservare nel cielo notturno un evento molto raro: un buco nero supermassiccio, al centro di una galassia posta a circa 300 milioni di anni luce dalla Terra, che faceva a pezzi un’intrepida stella che si era trovata a transitare decisamente troppo vicino all’orizzonte degli eventi del buco nero. Il fenomeno, noto come evento di distruzione mareale o tidal disruption flare  (Tdf), è dovuto alla forza della marea indotta dal buco nero, talmente forte da riuscire a distruggere la stella, generando un’intensa attività nella banda X dello spettro elettromagnetico in prossimità del centro della galassia.

Da allora sono state condotte diverse osservazioni dell’evento, denominato Asassn-14li, nella speranza di saperne di più su come i buchi neri si nutrono. In particolare, un gruppo di ricercatori ha analizzato i dati provenienti da tre telescopi, scoprendo, su tutti i set di dati analizzati, un impulso a raggi X stranamente intenso, stabile e periodico. Il segnale sembrava provenire da un’area molto vicina all’orizzonte degli eventi del buco nero, sembrava svanire periodicamente ogni 131 secondi e ha persistito per almeno 450 giorni.

I ricercatori sono convinti che l’origine di quel segnale periodico – qualunque essa fosse – dovesse necessariamente trovarsi appena fuori dall’orizzonte degli eventi, lungo l’orbita circolare stabile più interna nella quale è possibile viaggiare in sicurezza –  si fa per dire – attorno a un buco nero.

I risultati dello studio, riportati sulla rivista Science, rappresentano una prima dimostrazione di come i Tdf possano essere usati per stimare la rotazione dei buchi neri supermassicci: una caratteristica che è stata, fino a ora, incredibilmente difficile da definire. Sulla base delle proprietà del segnale e della massa e dimensione del buco nero, il gruppo di ricerca ha stimato che il buco nero sta ruotando almeno al 50 percento della velocità della luce. «Non è velocissimo, ci sono buchi neri con spin che si stima siano vicini al 99 percento della velocità di luce», dice Dheeraj Pasham, primo autore del lavoro. «Ma questa è la prima volta che siamo in grado di utilizzare i Tdf per dare una stima della velocità dei buchi neri supermassicci».

Per avvicinarsi idealmente a quell’ultima orbita stabile, e capire come questi eventi permettano di migliorare la nostra comprensione di questi mostri al centro delle galassie, Media Inaf ha intervistato uno degli autori dell’articolo, Giuseppe Lodato, professore all’Università di Milano, precedentemente lecturer all’Università di Leicester (Uk) e post-doc all’Università di Cambridge (Uk). Dottorato presso la Scuola Normale Superiore di Pisa, attualmente si occupa di astrofisica teorica, e in particolare di processi legati all’accrescimento e alla fluidodinamica dei dischi di accrescimento. Ha due principali interessi di ricerca: uno legato all’accrescimento su buchi neri (all’interno dei quali si colloca la presente ricerca) e l’altro legato alla formazione stellare e planetaria.

Giuseppe Lodato, professore all’Università degli Studi di Milano, precedentemente lecturer all’Università di Leicester (UK) e post-doc all’Università di Cambridge (UK). Dottorato presso la Scuola Normale Superiore di Pisa, attualmente si occupa di astrofisica teorica ed in particolare di processi legati all’accrescimento e alla fluidodinamica dei dischi di accrescimento

Professor Lodato, cosa presentate in questo articolo?

«Abbiamo analizzato l’andamento temporale della luminosità nei raggi X di un cosiddetto tidal disruption flare (Tdf), chiamato Asassn-14li (che era già noto e molto ben studiato in passato, tanto da venire definito la “stele di Rosetta” dei Tdf), scoprendo che il segnale oscilla in luminosità  in modo sorprendentemente regolare, con un periodo di 131 secondi (circa due minuti)».

Che cos’è un tidal disruption flare?

«Quando una stella si trova a passare molto vicina a un buco nero supermassiccio (come quello che si trova al centro di molte galassie, inclusa la nostra) la forza di marea dovuta al buco nero è intensissima e può portare alla completa distruzione della stella. I detriti della stella ormai distrutta ricadono sul buco nero, rilasciando una grande quantità di energia, soprattutto in banda X e nell’ultravioletto. Questi eventi sono molto rari, avvengono circa una volta ogni diecimila anni per galassia e quindi per poterli osservare è necessario monitorare un gran numero di galassie, come nel caso della campagna Asas-sn (All Sky Automated Survey for Supernovae) che ricerca principalmente supernove, ma che come prodotto secondario ha permesso la scoperta di diversi Tdf».

Ciò che avete osservato era previsto dalla teoria?

«Sì e no. Queste quasi periodic oscillations (Qpo) sono note per sistemi molto meno massicci, che coinvolgono buchi neri di massa stellare e non supermassicci come in questo caso e vengono spesso spiegati in termini di effetti relativistici legati alla rotazione del buco nero. Solo in un altro Tdf è stata osservata una Qpo. Ci sono due caratteristiche che però rendono questa osservazione unica. La prima è il periodo dell’oscillazione, estremamente rapido per un buco nero supermassiccio. Una tale alta frequenza può essere spiegata soltanto se il buco nero in questione possiede uno spin estremamente elevato, cioè se ruota su sé stesso quasi al massimo della rotazione possibile secondo la relatività generale. La seconda, e forse ancora più sorprendente, caratteristica di questa Qpo è la sua persistenza, infatti la abbiamo osservata lungo un periodo di tempo di oltre un anno. Pensate, una pulsazione regolare ogni due minuti che si ripete per oltre un anno, in mezzo al caos prodotto dalla distruzione di una stella. Questa secondo me è la cosa più difficile da capire, se si considera che l’intero evento dura per l’appunto al più qualche anno».

L’osservazione che siete stati in grado di fare, cosa vi ha permesso di dedurre?

«Come dicevo prima, abbiamo ottenuto una stima dello spin del buco nero, che appare essere vicino al limite massimo permesso dalla relatività. Allo stesso tempo, l’emissione deve provenire dalle zone più vicine al buco nero, vicino all’orizzonte degli eventi. In alternativa, uno spin meno “estremo” si potrebbe avere solo se il buco nero fosse molto meno massiccio del previsto e appartenesse alla classe degli intermediate mass black holes, cosa che però reputo difficile, vista la grandezza della galassia ospite».

Queste osservazioni aprono nuovi spiragli verso la comprensione dei buchi neri?

«I buchi neri supermassicci si trovano al centro di quasi tutte le galassie, ma solo alcuni di loro si possono studiare nel dettaglio, cioè quelli che sono circondati da grandi quantità di gas e splendono come Agn (active galactic nuclei). La gran parte di loro invece è quiescente (come Sgr A* nella nostra galassia) e non possiamo quindi studiare per loro gli effetti relativistici che avvengono vicino a essi. I Tdf permettono a questi buchi neri quiescenti di fare “uno spuntino” e mangiarsi una stella, in modo tale da accendersi come Agn e spegnersi nel giro di qualche anno. Questo ci permette da un lato di studiare effetti relativistici (come lo spin in questo caso) anche per buchi neri quiescenti. Dall’altro, ci permette di studiare, su un tempo scala “umano”, come “nasce” un Agn e il disco di accrescimento ad esso associato».


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Fonte: Quando il buco nero si fa uno spuntino