Quando Maxi J0637−430, un sistema binario contenente un buco nero, dopo una forte eruzione ha iniziato a perdere luminosità, gli astronomi hanno assistito a qualcosa di inaspettato: le regioni esterne del suo disco sono diventate più luminose, anziché meno. Uno studio pubblicato la settimana scorsa su Nature Astronomy, guidato da Montserrat Armas Padilla, ricercatrice all’Instituto de Astrofísica de Canarias (Iac), mostra che questo comportamento è dovuto a cambiamenti nella forma della parte interna del disco, che può proiettare un’ombra sulle regioni più lontane dal buco nero.
Durante la fase più luminosa dell’eruzione, questa struttura si era rigonfiata, bloccando parte dell’intensa luce generata vicino all’orizzonte degli eventi. Con il diminuire della luminosità, il disco si è sgonfiato, l’ombra è scomparsa e le regioni esterne sono state esposte alla radiazione. La scoperta rivela che i dischi di accrescimento possono cambiare forma a luminosità molto più basse di quanto si pensasse in precedenza.
Rappresentazione artistica che illustra come il disco di Maxi J0637−430 si trasforma durante un episodio di attività. Nella fase di massima luminosità, la parte interna del disco si gonfia e proietta un’ombra sulle regioni esterne, che rimangono relativamente fredde. Man mano che il sistema si affievolisce, questa struttura si sgonfia, l’ombra scompare e le regioni esterne risultano più esposte alle radiazioni, il che ne provoca il riscaldamento. Crediti: Gabriel Pérez, Smm (Iac)
Maxi J0637−430 è un sistema binario in cui un buco nero si nutre della materia di una stella compagna. Prima di attraversare l’orizzonte degli eventi, questo materiale si accumula formando un disco di accrescimento. Le regioni più interne del disco raggiungono temperature estreme ed emettono principalmente raggi X, mentre le regioni esterne possono essere studiate alle lunghezze d’onda del visibile e dell’infrarosso.
Di tanto in tanto, in questi sistemi si verificano forti eruzioni (outburst, in inglese), durante le quali la quantità di materia che cade verso il buco nero aumenta in modo drastico e la loro luminosità può crescere di milioni di volte.
Maxi J0637−430 è stato scoperto proprio durante una di queste eruzioni. La sorpresa è arrivata quando la luminosità del sistema ha iniziato a calare. Sarebbe naturale aspettarsi che, man mano che il sistema si affievolisce e produce meno raggi X, le regioni esterne del disco ricevano progressivamente meno radiazioni. Eppure, le osservazioni hanno mostrato l’esatto opposto.
Al picco dell’eruzione, lo spettro ottenuto con lo strumento X-shooter sul Very Large Telescope (Vlt) mostrava forti linee di emissione di idrogeno ed elio, caratteristiche di un disco esterno relativamente freddo e debolmente irradiato. Solo due settimane più tardi, quando la luminosità dei raggi X si era ridotta all’incirca della metà, queste linee erano quasi scomparse e lo spettro indicava un disco esterno molto più caldo e fortemente irradiato.
«È stata una sorpresa, l’esatto opposto di quanto ci aspettassimo», spiega Montserrat Armas Padilla, autrice principale dello studio, a cui hanno partecipato anche due ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), Maria Cristina Baglio e Gabriele Ponti. «Se la sorgente di raggi X si stava affievolendo, ci saremmo aspettati che il disco esterno ricevesse meno radiazioni. Invece, le osservazioni suggerivano che ne stesse ricevendo di più. La chiave doveva risiedere nel modo in cui la geometria stessa del disco stava cambiando».
Un’ombra che scompare
La spiegazione proposta dal team è facile da immaginare. Durante la fase più luminosa dell’eruzione, la parte interna del disco si rigonfia, aumentando il suo spessore verticale. Questa struttura agisce come uno schermo che blocca parte dell’intensa radiazione prodotta vicino al buco nero, proiettando un’ombra sulle regioni esterne e mantenendole relativamente fredde. Quando l’eruzione si affievolisce, anche la pressione esercitata dalla radiazione all’interno del disco interno diminuisce, permettendo al disco di assottigliarsi di nuovo. Una volta scomparsa l’ombra, le regioni esterne vengono esposte ai raggi X provenienti dalle vicinanze del buco nero.
«È come abbassare l’intensità di una lampada rimuovendone al contempo il paralume: anche se la lampadina emette meno luce, un’area che prima era in ombra risulta più intensamente illuminata. È esattamente ciò che pensiamo stia accadendo in Maxi J0637−430», spiega Teo Muñoz Darias, ricercatore all’Iac e coautore dell’articolo.
L’animazione mostra come, man mano che la luminosità di Maxi J0637−430 diminuisce, il disco che circonda il buco nero cambi forma e smetta di proiettare la propria ombra sulle regioni esterne, che quindi ricevono una maggiore quantità di radiazione e si riscaldano. Crediti: Gabriel Pérez, Smm (Iac)
La luce visibile e quella infrarossa rivelano gli effetti di questo cambiamento nelle regioni esterne del disco. I raggi X, nel frattempo, permettono ai ricercatori di sondare le regioni molto più vicine al buco nero. Esaminando i dati ottenuti con le missioni spaziali Nicer, Swift e NuStar, il team ha trovato segni negli spettri a raggi X del fatto che anche la struttura interna del disco stava cambiando mentre il sistema si affievoliva. I pezzi del puzzle sono andati tutti al loro posto.
«La sorpresa non è stata solo che il disco abbia cambiato forma, ma quando lo ha fatto», sottolinea Armas Padilla. Secondo i modelli classici, infatti, i dischi di accrescimento dovrebbero rimanere relativamente sottili a luminosità moderate, diventando sostanzialmente più spessi solo quando si avvicinano al cosiddetto limite di Eddington: la luminosità a cui la pressione verso l’esterno della radiazione riesce a contrastare la gravità e a ostacolare la caduta di materia. In Maxi J0637−430, tuttavia, questo cambiamento sembra verificarsi quando il sistema sta emettendo solo a circa il 10-20 per cento di quel limite.
Questo aspetto è assai importante, perché la forma del disco è tutt’altro che un dettaglio minore. Molte stime sulle proprietà dei buchi neri dipendono dai presupposti su come la materia è distribuita nelle regioni più interne del disco. Se il disco è più spesso di quanto ipotizzato in precedenza, ciò potrebbe influenzare le stime relative allo spin (il momento angolare) del buco nero, per esempio, che è una delle sue proprietà fondamentali insieme alla massa.
Fonte: press release Iac
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “A self-shadowing black hole accretion disk at sub-Eddington luminosities”, M. Armas Padilla, T. Muñoz-Darias, J. Sánchez-Sierras, M. Shidatsu, D. Mata Sánchez, V. A. Cúneo, E. A. Saavedra, A. Ambrifi, M. C. Baglio, J. Casares, J. M. Corral-Santana, R. P. Fender, J. A. Fernández-Ontiveros, G. Ponti, D. M. Russell, M. A. P. Torres, Y. Ueda, F. M. Vincentelli e I. Yanes-Rizo