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Uno spin per i buchi neri

Le innovative capacità del telescopio spaziale NuSTAR della NASA hanno permesso di rilevare per la prima volta la “firma” caratteristica del moto di spin di un buco nero nello spettro in raggi X emessi dal suo disco di accrescimento. Questo risultato fornisce informazioni fondamentale per migliorare la nostra conoscenza di questi oggetti celesti e il loro ruolo nell'evoluzione delle galassie di cui fanno parte



Al centro della galassia NGC 1365, distante circa 60 milioni di anni luce dalla Terra, c'è un buco nero supermassiccio che ruota su se stesso a enorme velocità, vicina alla massima teoricamente raggiungibile: la sua energia rotazionale è pari a quella prodotta da un miliardo di stelle in un miliardo di anni. Il risultato, pubblicato sulla rivista “Nature” a firma di Guido Risaliti, dell’INAF-Osservatorio astronomico di Arcetri, e colleghi di un’ampia collaborazione internazionale, offre una solida base sperimentale per i modelli dinamici dei buchi neri ed è stato ottenuto grazie ai dati raccolti dal Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), un nuovo strumento per l’osservazione del cosmo in raggi X, lanciato dalla NASA a giugno 2012, e dal telescopio XMM-Newton dell'Agenzia spaziale europea (ESA).

“Lo studio dei buchi neri è importante sia dal punto di vista fisico sia da quello più propriamente astrofisico”, ha spiegato Risaliti a Le Scienze. “I buchi neri sono per definizione oggetti di dimensioni molto limitate rispetto alla loro massa e che hanno un campo gravitazionale elevatissimo; sono quindi innanzitutto laboratori naturali per lo studio della teoria della relatività generale, cioè degli effetti dei campi gravitazionali estremi sullo spazio-tempo e quindi anche sulla luce emessa dalle regioni di spazio soggette a questi campi gravitazionali. In realtà ci sono altri mille modi di verificare la teoria della relatività generale, ma si tratta sempre di studiare minime deviazioni rispetto alla teoria della gravità newtoniana, cioè in quello che è definito regime perturbativo”.

“Oltre a ciò – ha continuato il ricercatore – i buchi neri supermassicci sono componenti fondamentali dell’universo: i dischi formati dalla materia che cade al loro interno sono le sorgenti di luce più potenti dell’universo e costituiscono complessivamente una significativa frazione della radiazione che si può osservare nel cosmo. Inoltre da una decina d’anni si è capito che questi oggetti influenzano in modo sostanziale l’evoluzione delle galassie con un meccanismo di continuo scambio reciproco, al punto che bisogna parlare correttamente di coevoluzione del buco nero e della galassia ospite”.

I buchi neri supermassicci non sono rari. Anzi, le osservazioni degli ultimi anni hanno stabilito che quasi ogni galassia ne ha uno al suo centro. Tutta la materia – gas, polveri ma anche stelle intere – che si trova entro un certo raggio da questi oggetti è inghiottita da una gigantesca forza gravitazionale attrattiva, che non lascia scampo a nulla, neppure alla luce. Il moto a spirale di questo gigantesco vortice, detto disco di accrescimento, riscalda la materia che lo compone, generando quelli che dal punto di vista osservativo vengono definiti nuclei galattici attivi (NGA).

[Clicca e scopri il significato del termine: Al centro della galassia NGC 1365, distante circa 60 milioni di anni luce dalla Terra, c�è un buco nero supermassiccio che ruota su se stesso a enorme velocità, vicina alla massima teoricamente raggiungibile: la sua energia rotazionale è pari a quella prodotta da un miliardo di stelle in un miliardo di anni. Il risultato, pubblicato sulla rivista “Nature” a firma di Guido Risaliti, dell’INAF-Osservatorio astronomico di Arcetri, e colleghi di un’ampia collaborazione internazionale, offre una solida base sperimentale per i modelli dinamici dei buchi neri ed è stato ottenuto grazie ai dati raccolti dal Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), un nuovo strumento per l’osservazione del cosmo in raggi X, lanciato dalla NASA a giugno 2012, e dal telescopio XMM-Newton dell�Agenzia spaziale europea (ESA). “Lo studio dei buchi neri è importante sia dal punto di vista fisico sia da quello più propriamente astrofisico”, ha spiegato Risaliti a Le Scienze. “I buchi neri sono per definizione oggetti di dimensioni molto limitate rispetto alla loro massa e che hanno un campo gravitazionale elevatissimo; sono quindi innanzitutto laboratori naturali per lo studio della teoria della relatività generale, cioè degli effetti dei campi gravitazionali estremi sullo spazio-tempo e quindi anche sulla luce emessa dalle regioni di spazio soggette a questi campi gravitazionali. In realtà ci sono altri mille modi di verificare la teoria della relatività generale, ma si tratta sempre di studiare minime deviazioni rispetto alla teoria della gravità newtoniana, cioè in quello che è definito regime perturbativo”. “Oltre a ciò – ha continuato il ricercatore – i buchi neri supermassicci sono componenti fondamentali dell’universo: i dischi formati dalla materia che cade al loro interno sono le sorgenti di luce più potenti dell’universo e costituiscono complessivamente una significativa frazione della radiazione che si può osservare nel cosmo. Inoltre da una decina d’anni si è capito che questi oggetti influenzano in modo sostanziale l’evoluzione delle galassie con un meccanismo di continuo scambio reciproco, al punto che bisogna parlare correttamente di coevoluzione del buco nero e della galassia ospite”. I buchi neri supermassicci non sono rari. Anzi, le osservazioni degli ultimi anni hanno stabilito che quasi ogni galassia ne ha uno al suo centro. Tutta la materia – gas, polveri ma anche stelle intere – che si trova entro un certo raggio da questi oggetti è inghiottita da una gigantesca forza gravitazionale attrattiva, che non lascia scampo a nulla, neppure alla luce. Il moto a spirale di questo gigantesco vortice, detto disco di accrescimento, riscalda la materia che lo compone, generando quelli che dal punto di vista osservativo vengono definiti nuclei galattici attivi (NGA).


Immagine ottica della galassia NGC 1365 (Credit: SSRO/PROMPT and NOAO/AURA/NSF)

Lo studio degli NGA può essere effettuato nello spettro X della radiazione elettromagnetica, come hanno fatto finora gli spettrografi dei telescopi spaziali Chandra della NASA, XMM-Newton dell'ESA, e il giapponese Suzaku. Questi tre strumenti però sono in grado di osservare solo una frazione dello spettro X e precisamente quella nell’intervallo di energie 0,5–10-kiloelettronvolt.

La dinamica propria di un buco nero è intimamente legata al moto del suo disco di accrescimento. Osservazioni recenti hanno portato gli scienziati a ipotizzare che molti di questi oggetti siano dotati di spin, cioè di un movimento di rotazione su se stessi, trasmesso dalla materia in accrescimento attorno a essi.

“Lo spin, o meglio il momento angolare, è la seconda proprietà che definisce un buco nero oltre alla massa”, ha aggiunto Risaliti. “Influenza la regione di spazio da cui avviene l’emissione della radiazione è in particolare ne ‘deforma’ le frequenze: buchi neri con la stessa massa ma con spin diversi producono deformazioni diverse."

Nelle osservazioni in raggi X, che sono prodotti a poca distanza dall’orizzonte degli eventi, cioè il punto “di non ritorno” oltre cui il campo gravitazionale inghiotte tutto, lo spin si dovrebbe manifestare con un redshift, cioè uno spostamento verso il rosso. Questo effetto spettroscopico, dunque, può rappresentare una “firma” caratteristica con cui provare il moto rotazionale del buco nero. Il problema è che anche la presenza di strati multipli di gas intorno al buco può produrre lo stesso effetto osservativo.


Il telescopio spaziale NuSTAR in un'interpretazione artistica (Cortesia NASA)

Questa difficoltà è stata superata ora grazie alle superiori potenzialità di NuSTAR, che ha ottenuto uno spettro ad alta qualità di fotoni con energie nell'intervallo tra 3 e 80 chiloelettronvolt. Particolarmente importante è la frazione di energie oltre dieci chiloelettronvolt, in cui il rapporto segnale/rumore dello spettro raggiunge per la prima volta un valore molto elevato, consentendo un confronto diretto tra le due spiegazioni alternative dell’effetto di redshift.

Le osservazioni di NGC 1365, il cui buco nero ha una massa milioni di volte quella del Sole, hanno permesso di scartare il modello dell’assorbimento da parte dei gas in base considerazioni sia statistiche sia fisiche. Un assorbimento del genere richiederebbe che la “vera” luminosità del NGA fosse decine di volte maggiore di quanto osservato. Questo però sarebbe in contraddizione con numerose altre proprietà osservate sia nella banda X sia in altre bande spettrali. Sebbene ottenuta per esclusione, quella di Risaliti e colleghi è la conferma più convincente ottenuta finora dello spin di un buco nero, e dei suoi effetti sulla regione spazio-temporale intorno a esso.

Uno spin per i buchi neri - Le Scienze
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