CAMBIAMENTI STRUTTURALI RILEVATI DA ECHI X

Evoluzione di un buco nero

Un team di astronomi ha osservato i cambiamenti nell'ambiente che circonda un buco nero relativamente piccolo, di massa pari a circa dieci volte la massa del Sole, misurando l’eco dei raggi X. Queste osservazioni offrono agli scienziati nuove informazioni su come i materiali vengono incanalati nel buco nero e su come venga rilasciata energia. Tutti i dettagli dello studio si trovano su Nature

Copertina della rivista Nature dove è stato pubblicato lo studio sul buco nero di massa stellare, Maxi J1820 + 070. Crediti: Nature Publishing Group

Un team di astronomi guidato da Erin Kara, del Dipartimento di Astronomia dell’Università del Maryland, è riuscito a delineare l’ambiente che circonda un buco nero relativamente piccolo, di massa pari a circa dieci volte la massa del Sole. Lo studio, pubblicato su Nature, è stato presentato il ​​9 gennaio 2019 in una conferenza stampa tenutasi durante la 233a riunione dell’American Astronomical Society a Seattle, Washington. Le osservazioni presentate forniscono il quadro ad oggi più chiaro di come questi piccoli buchi neri consumino materia ed emettano energia.

Usando lo strumento Nicer della Nasa (Neutron star Interior Composition Explorer) a bordo della Stazione spaziale internazionale, il gruppo di ricerca è stato in grado in rilevare l’emissione X di un buco nero scoperto recentemente, chiamato Maxi J1820 + 070 (J1820 in breve), mentre stava consumando la materia proveniente dalla stella compagna. La radiazione X ha prodotto echi di luce riflessi dal gas che ruota vorticosamente vicino al buco nero, che hanno permesso di rivelare cambiamenti nelle dimensioni e nella forma dell’ambiente circostante.

«Nicer ci ha permesso di misurare gli echi di luce più vicini di sempre a un buco nero di massa stellare», spiega Kara, prima autrice dell’articolo. «Precedentemente, questi echi di luce riflessi sui dischi di accrescimento, erano stati visti solo nei buchi neri supermassicci, che sono da milioni a miliardi di masse solari più grandi e sono soggetti a cambiamenti molto lenti. I buchi neri di massa stellare come J1820 hanno masse molto più basse e si evolvono molto più velocemente. Pertanto, tali cambiamenti possono essere visti su scale temporali umane».

J1820 si trova a circa 10mila anni luce dalla Terra, nella direzione della costellazione del Leone. La stella compagna del buco nero è stata identificata in una survey della missione Gaia dell’Agenzia spaziale europea, che ha anche permesso di stimarne la distanza dalla Terra. Gli astronomi sono venuti a conoscenza della presenza del buco nero l’11 marzo 2018, quando lo strumento giapponese Maxi (Monitor of All-sky X-ray Image), anch’esso a bordo della Stazione spaziale internazionale, ha avvistato un’enorme esplosione (outburst) nella direzione dell’oggetto. In pochi giorni, J1820 è passato dall’essere un buco nero totalmente sconosciuto a essere una delle sorgenti più brillanti del cielo X, sei volte più brillante della Crab Nebula. Nicer si è attivato molto rapidamente per catturare questa drammatica transizione e sta continuando tuttora a seguire la coda dell’evento.

Ma cosa è successo a J1820? Un buco nero è in grado di aspirare gas dalla stella compagna, facendolo confluire nel disco di accrescimento. Le forze gravitazionali e magnetiche riscaldano il disco a milioni di gradi Celsius, rendendolo abbastanza caldo da produrre raggi X nelle parti interne del disco stesso, vicino al buco nero. Gli outburst, come quello che ha interessato J1820, si verificano quando un’instabilità nel disco causa un flusso di gas che si riversa improvvisamente verso il buco nero, creando una specie di valanga gassosa. Al di sopra del disco si trova la corona, una regione di particelle subatomiche riscaldate a un miliardo di gradi, che genera raggi X ad alta energia. Sebbene non sia ancora chiaro quale sia l’origine e l’evoluzione della corona di un buco nero, alcune teorie suggeriscono che questa struttura potrebbe essere una forma primitiva dei getti di particelle ad alta velocità che spesso caratterizzano questi sistemi.

Uno degli obiettivi degli astrofisici è riuscire a comprendere come il bordo interno del disco di accrescimento di un buco nero, nonché la corona sopra di esso, cambi dimensione e forma mentre il buco nero consuma il materiale della stella compagna. Se gli scienziati riuscissero a capire il modo e il motivo per cui si verificano questi cambiamenti nei buchi neri di massa stellare, nel periodo di settimane, potrebbero ricavarne indizi sull’evoluzione dei buchi neri supermassicci nei tempi scala di milioni di anni, oltre al modo in cui tali buchi neri influenzano le galassie in cui risiedono.

Un metodo utilizzato per tracciare tali cambiamenti è la mappatura del riverbero a raggi X, che utilizza appunto le riflessioni della radiazione X in modo molto simile a quello impiegato da un sonar, con le onde sonore, per mappare il terreno sottomarino. Questo sistema sfrutta il fatto che alcuni raggi X dalla corona viaggiano dritto verso di noi, mentre altri colpiscono il disco di accrescimento e si riflettono a diversi angoli e a diverse energie.

La mappatura del riverbero a raggi X dei buchi neri supermassicci ha dimostrato che il margine interno del disco di accrescimento è molto vicino all’orizzonte degli eventi del buco nero. Anche la corona è compatta, e si trova più vicino al buco nero piuttosto che su gran parte del disco di accrescimento. Precedenti osservazioni del riverbero a raggi X nei buchi neri di massa stellare avevano suggerito che il bordo interno del disco di accrescimento fosse abbastanza distante, fino a centinaia di volte la dimensione dell’orizzonte degli eventi. Tuttavia, sembra proprio che per J1820 la situazione sia diversa, poiché questo buco nero stellare si comporta più come i suoi cugini supermassicci.

Schema della geometria proposta dagli autori. La corona, inizialmente estesa verticalmente, si evolve fino a raggiungere una dimensione più compatta in epoca avanzata. Il nucleo della corona è responsabile della maggior parte del flusso che si irradia sul disco. Poiché l’estensione verticale della corona diminuisce nel tempo, diminuisce il ritardo del riverbero. Crediti: Nature Publishing Group

Mentre esaminavano le osservazioni di Nicer di J1820, il team di ricercatori guidati da Kara vide una diminuzione del ritardo tra il flare X iniziale proveniente direttamente dalla corona e l’eco del flare dal disco, di un ordine di grandezza. Questo indicava che i raggi X avevano viaggiavano su distanze più brevi, prima di essere riflessi. Da 10mila anni luce di distanza, i ricercatori hanno stimato che la corona si stava contraendo verticalmente, passando da circa 160 km a circa 16 km. Cambiando prospettiva, sarebbe come vedere, dalla Terra, un mirtillo sulla superficie di Plutone che riduce le sue dimensioni fino a diventare piccolo quanto un seme di papavero.

«È la prima volta che riscontriamo l’evidenza che la corona si restringe durante questa particolare fase nell’evoluzione dell’outburst», osserva Jack Steiner, co-autore dello studio. «La corona è ancora piuttosto misteriosa e non abbiamo ancora raggiunto la piena comprensione di cosa sia, ma ora abbiamo le prove che ciò che si sta evolvendo è la struttura della corona stessa».

Per confermare che la diminuzione del tempo di ritardo era dovuta a un cambiamento nella corona e non al disco di accrescimento, i ricercatori hanno usato la riga K-alpha del ferro, che si genera quando i raggi X della corona si scontrano con gli atomi di ferro presenti nel disco, facendoli diventare fluorescenti.

In accordo con la teoria della relatività di Einstein, il tempo scorre più lentamente in presenza di forti campi gravitazionali e alte velocità. Quando gli atomi di ferro più vicini al buco nero sono bombardati dalla luce proveniente dal nucleo della corona, le lunghezze d’onda dei raggi X che emettono si allungano perché il tempo si muove più lentamente per loro rispetto a quanto faccia per l’osservatore.

I ricercatori hanno scoperto che la riga del ferro per J1820 in realtà è rimasta costante, il che significa che il bordo interno del disco è rimasto alla stessa distanza dal buco nero, in maniera simile a quanto accade per un buco nero supermassiccio. Se la diminuzione del tempo di ritardo fosse causata dal bordo interno del disco spostatosi più all’interno, la linea K del ferro si sarebbe dovuta deformare.

Queste osservazioni offrono agli scienziati nuove informazioni su come i materiali vengono incanalati in un buco nero e su come in questo processo venga rilasciata l’energia. «Le osservazioni di Nicer di J1820 ci hanno insegnato qualcosa di nuovo sui buchi neri di massa stellare e su come potremmo usarli per studiare i buchi neri supermassicci e i loro effetti sulla formazione delle galassie», dice Philip Uttley, co-autore dello studio. «Durante il primo di Nicer abbiamo visto quattro eventi simili e questo è degno di  nota. Sembra proprio che siamo prossimi a una grande svolta nell’astronomia a raggi X».

Per saperne di più:

  • Leggi su Nature l’articolo “The corona contracts in a black-hole transient” di Kara, J. F. Steiner, A. C. Fabian, E. M. Cackett, P. Uttley, R. A. Remillard, K. C. Gendreau, Z. Arzoumanian, D. Altamirano, S. Eikenberry, T. Enoto, J. Homan, J. Neilsen e A. L. Stevens