COMBINANDO L’OSSERVAZIONE DI UN BRILLAMENTO A RAGGI X CON MODELLI TEORICI

Come ti rivelo la massa e lo spin di un buco nero

Grazie a uno studio i cui risultati sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal, un team di astronomi dell’Università dell’Arizona ha documentato l’incontro fatale tra una sfortunata stella e un buco nero di massa intermedia. L’emissione di raggi X proveniente dal gas della stella che veniva divorata ha permesso di misurare la massa e lo spin del buco nero

     30/09/2021
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Quando una stella si avventura troppo vicino a un buco nero, le forze gravitazionali creano intense maree che lacerano la stella risucchiandone il gas, provocando un fenomeno catastrofico noto come “evento di distruzione mareale”. Vengono rilasciate enormi quantità di energia, arrivando in alcuni casi a eclissare l’intera galassia. Crediti: Goddard Space Flight Center della Nasa/Chris Smith (Usra/Gestar)

Una stella che si avvicina troppo a un buco nero viene catturata dalla forte attrazione gravitazionale, fatta a brandelli e risucchiata. Lo sfortunato accidente prende il nome di evento di distruzione mareale: le forze mareali di un oggetto compatto come un buco nero, gravitazionalmente fatali, lacerano la stella, creando un flusso di detriti che precipita verso il buco nero, illuminando lo spazio circostante con bagliori di luce ed energia. Un team di astronomi guidato da Sixiang Wen, ricercatore all’Osservatorio Steward dell’Università dell’Arizona, è riuscito a determinare la massa e la velocità di rotazione di un buco nero dall’esplosione di raggi X emessi da una stella mentre veniva divorata. Lo studio è stato pubblicato su The Astrophysical Journal.

La sorgente a raggi X, nota come J2150, si trova in un denso ammasso stellare nella periferia di una galassia lontana ed è stata individuata poco più di un anno fa dal telescopio spaziale Hubble. «Le emissioni di raggi X dal disco interno, formato dai detriti della stella morta, ci hanno permesso di dedurre la massa e lo spin di questo buco nero e di classificarlo come intermedio», spiega Wen. «Il fatto che siamo stati in grado di catturare questo buco nero mentre stava divorando una stella offre una grande opportunità per osservare ciò che altrimenti sarebbe invisibile», aggiunge Ann Zabludoff, docente di astronomia all’Università dell’Arizona e coautrice dello studio. «Non solo, analizzando il brillamento, siamo stati in grado di comprendere meglio questa sfuggente categoria di buchi neri, che potrebbe rappresentare la maggior parte dei buchi neri al centro delle galassie».

Confrontando i dati a raggi X con sofisticati modelli teorici, gli studiosi hanno dimostrato che il brillamento ha avuto origine dall’incontro di una stella con un buco di massa intermedia, dal peso di circa 10mila volte la massa del Sole.

I buchi neri di massa intermedia (Imbh) rappresentano l’anello di congiunzione tra i buchi neri supermassicci, quelli dell’ordine di milioni di masse solari, e i buchi neri stellari, che si formano dal collasso di stelle massicce e la cui massa è pari a circa dieci volte quella del Sole. La categoria di mezzo (di massa compresa tra cento e centomila volte la massa del Sole) è difficile da scovare, perché meno attiva di quella dei colleghi più grandi. È risaputo che il centro di quasi tutte le galassie di dimensioni simili alla Via Lattea, o anche più grandi, ospiti buchi neri supermassicci, che diventano potenti fonti di radiazioni elettromagnetiche quando il gas interstellare arriva nelle vicinanze. È noto anche che la massa di questi buchi neri è strettamente correlata alla massa totale della galassia ospite.

«Sappiamo ancora molto poco dell’esistenza di buchi neri nei centri di galassie più piccole della Via Lattea», dice Peter Jonker della Radboud University e dello Sron (Netherlands Institute for Space Research), nei Paesi Bassi. «A causa dei limiti osservativi, è difficile scoprire buchi neri centrali molto più piccoli di un milione di masse solari».

Si pensa che i buchi neri supermassicci fossero in origine buchi neri più piccoli, e che quindi siano stati generati da quelli di taglia intermedia. «Pertanto, se riusciamo a capire meglio quanti buchi neri intermedi ci siano là fuori, possiamo determinare quali teorie sulla formazione dei buchi neri supermassicci siano corrette», aggiunge Jonker.

Ancora più emozionante, sostiene Zabludoff, è la misurazione dello spin (velocità di rotazione) di J2150 che il gruppo è riuscito a ottenere, e che contiene indizi sulla fisica delle particelle e sul processo di crescita del buco nero. Quello che emerge è che questo buco nero ha una rotazione veloce, ma non la più veloce possibile, e non sappiamo perché lo spin si sia stabilizzato proprio in quell’intervallo. «È possibile che il buco nero si sia formato in quel modo e non sia cambiato molto da allora, o che due buchi neri di massa intermedia si siano uniti di recente per formare questo», spiega Zabludoff. «Sappiamo che lo spin che abbiamo misurato esclude scenari in cui il buco nero cresce a lungo, mangiando costantemente gas o molti snack veloci di gas che arrivano da direzioni casuali».

Informazioni sullo spin, inoltre, consentirebbero agli astrofisici di mettere alla prova ipotesi sulla natura della materia oscura, invisibile poiché non emette radiazioni elettromagnetiche. Potrebbero essere proprio queste particelle elementari sconosciute, come il bosone ultraleggero, la causa del rallentamento dello spin. «Se queste particelle esistono e hanno masse in un certo intervallo, impediranno a un buco nero di massa intermedia di avere una rotazione veloce», conclude Nicholas Stone, docente all’Università Ebraica di Gerusalemme. «Eppure il buco nero di J2150 sta ruotando velocemente. Quindi la nostra misurazione dello spin esclude un’ampia classe di teorie relative al bosone ultraleggero, mostrando il valore dei buchi neri come laboratori extraterrestri per la fisica delle particelle».

Per saperne di più:

Sulle taglie dei buchi neri, guarda questo video di Gabriele Ghisellini: