La storia di una stella che finisce troppo vicina a un buco nero può riservare sorprese anche dopo la sua distruzione. A volte il buco nero espelle materia nello spazio quasi subito. Altre volte invece, quando tutto sembra ormai essersi calmato, torna a far parlare di sé mesi, persino anni dopo: come se avesse ancora un messaggio da spedire. Ma perché aspettare così tanto?
La risposta potrebbe dipendere da quanto velocemente il buco nero si alimenta. E, sorprendentemente, la regola sembra essere la stessa per buchi neri di masse molto diverse. A individuarla è uno studio pubblicato la settimana scorsa su Nature Astronomy e condotto da Adelle Goodwin dell’International Centre for Radio Astronomy Research della Curtin University, in Australia, e Andrew Mummery dell’Institute for Advanced Study di Princeton, negli Stati Uniti. I due ricercatori hanno studiato gli eventi di distruzione mareale, analizzando ciò che accade alla materia stellare dopo la distruzione della stella. Una parte dei detriti stellari rimane legata gravitazionalmente al buco nero e, anziché disperdersi nello spazio, finisce per formare un disco di accrescimento attorno a esso. Qui la materia orbita, si riscalda ed emette radiazione. Parte del materiale precipita poi oltre l’orizzonte degli eventi, il confine oltre il quale nulla può sfuggire al buco nero, mentre un’altra parte può essere espulsa nello spazio sotto forma di venti o getti di materia.
Rappresentazione artistica di un evento di distruzione mareale. Crediti: Nrao/Aui/Nsf/Nasa
Quando questi flussi di materia incontrano il gas circostante, possono generare onde d’urto che accelerano le particelle, producendo emissione radio. Studiando come cambia questa emissione nel tempo è possibile risalire al momento in cui la materia è stata espulsa. Ma per capire in quali condizioni si formano questi flussi, è necessario seguire anche l’evoluzione del disco. Nei nuclei galattici attivi, al centro dei quali si trovano buchi neri supermassicci che accrescono materia, i cambiamenti complessivi del disco possono richiedere migliaia di anni: tempi troppo lunghi per osservare direttamente il passaggio tra diversi stati di accrescimento. Gli eventi di distruzione mareale offrono invece un’opportunità particolare: il disco che si forma dai detriti stellari è molto più compatto ed evolve nell’arco di pochi anni, permettendo così di seguire come cambia nel tempo il tasso di accrescimento, ovvero la quantità di materia che raggiunge il buco nero nell’unità di tempo.
Goodwin e Mummery hanno esaminato venti eventi di distruzione mareale, utilizzando osservazioni dalle onde radio alla luce visibile e ultravioletta, fino ai raggi X. Tra questi, hanno selezionato gli eventi con dati sufficientemente completi per la loro analisi, arrivando a undici episodi analizzati. Studiando l’espansione delle regioni da cui provengono le onde radio, i ricercatori hanno stimato quando era stata espulsa la materia. Hanno poi confrontato le osservazioni alle altre lunghezze d’onda con modelli relativistici del disco di accrescimento, per ricostruire come cambiava nel tempo il ritmo con cui il buco nero si alimentava. Dall’analisi sono emerse due fasi distinte in cui i buchi neri supermassicci possono espellere materia. La prima si verifica nelle fasi iniziali dell’evento, quando il tasso di accrescimento è estremamente elevato e può superare il cosiddetto tasso di accrescimento di Eddington, legato al limite di Eddington, ossia la luminosità alla quale la spinta della radiazione verso l’esterno può bilanciare l’attrazione gravitazionale sulla materia circostante. In queste condizioni, il disco può produrre potenti venti che trasportano parte del materiale verso l’esterno. La seconda fase si verifica invece molto più tardi, quando il buco nero riceve ormai molta meno materia.
Rappresentazione artistica di un evento di distruzione mareale: una stella viene distrutta dalle intense forze mareali di un buco nero supermassiccio, mentre parte della sua materia forma un disco di accrescimento attorno a esso. Crediti: Science Communication Lab
Proprio qui emerge il risultato più interessante: i flussi tardivi vengono lanciati quando il tasso di accrescimento scende fino a circa il due per cento del tasso di accrescimento di Eddington. Una soglia tutt’altro che casuale: coincide con quella già osservata nei buchi neri di massa stellare, che si formano dal collasso di stelle massicce e hanno masse generalmente comprese tra poche e alcune decine di volte quella del Sole. In questi sistemi, il raggiungimento della stessa soglia segna il passaggio a un diverso stato di accrescimento, associato alla formazione di un getto radio compatto e persistente. Il nuovo studio suggerisce che una transizione analoga avvenga anche nei buchi neri supermassicci dopo un evento di distruzione mareale. A differenza dei venti prodotti nelle prime fasi dell’evento, i flussi tardivi sarebbero associati alla formazione di getti compatti. A sostegno di questa interpretazione ci sono le osservazioni radio: mentre l’emissione associata ai flussi immediati aumenta generalmente in modo graduale, quella dei flussi tardivi cresce molto più rapidamente, compatibilmente con un getto che continua a ricevere energia dal disco di accrescimento. Anche le osservazioni nei raggi X forniscono indizi a sostegno di questa interpretazione. In alcuni eventi di distruzione mareale è stata rilevata un’emissione tardiva di raggi X di alta energia, compatibile con la presenza di una corona, una regione di plasma molto caldo che si trova in prossimità del buco nero. La sua comparsa, talvolta in corrispondenza della nuova fase di attività radio, potrebbe indicare un cambiamento dello stato del disco di accrescimento associato alla formazione dei getti tardivi.
Ma perché questi flussi di materia non vengono osservati in tutti gli eventi di distruzione mareale? Per cercare una risposta, Goodwin e Mummery hanno simulato l’evoluzione di un milione di eventi, considerando stelle e buchi neri con caratteristiche diverse. Le simulazioni mostrano che non tutti i sistemi raggiungono un tasso di accrescimento sufficientemente elevato da produrre i flussi immediati, mentre altri impiegano molti anni prima di attraversare la soglia critica associata a quelli tardivi. Questo potrebbe spiegare perché i flussi immediati e tardivi vengono osservati soltanto in una parte degli eventi di distruzione mareale.
Le previsioni dei ricercatori sono in buon accordo con le osservazioni, sia per la frequenza dei flussi sia per i tempi della loro comparsa. E nonostante le enormi differenze di massa, sembra che i buchi neri seguano la stessa regola quando si tratta di produrre getti. Quanto alla soglia critica, conoscerla potrebbe aiutare a prevedere quando un buco nero supermassiccio produrrà un nuovo getto e a programmare le osservazioni radio per coglierne la comparsa. Anche a distanza di anni dalla distruzione di una stella, vale la pena restare in ascolto: il buco nero potrebbe avere ancora qualcosa da dire.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “A universal critical accretion rate for black hole jet formationâ€Â , di Adelle J. Goodwin e Andrew Mummery
Guarda il video di Gabriele Ghisellini sulle diverse taglie dei buchi neri: