Nubi di gas svelano la natura di Sagittarius A*

Composizione chimica della regione contigua al buco nero al centro della Via Lattea. (Crediti: ESA).

In questi giorni il Savannah International Convention Center sta ospitando un simposio, l’April Meeting, sponsorizzato dalla American Physical Society (APS). Parte della sessione “Hot Topics in Astrophysics” è stata dedicata ai buchi neri supermassicci come Sgr A* (Sagittarius A*). 

Il dibattito ruota attorno ad una domanda: come fanno questi buchi neri ad essere così grandi? Tra le spiegazioni possibili, quelle più accreditate sembrano essere due: si alimentano grazie ai residui di materia intrappolati nelle nubi di gas da cui sono circondati, e/o si nutrono grazie alla materia che strappano dai corpi che gli orbitano intorno, come la stella di neutroni SGR J1745-29.  L’osservatorio spaziale Herschel ci aveva già mostrato nel dettaglio una grossa nube di gas molecolare che potrebbe orbitare attorno al massiccio Buco Nero che si trova al centro della Via Lattea. Il Centro Galattico ospita un Buco Nero supermassiccio nella regione conosciuta come Sagittarius A*, con una massa di circa quattro milioni di volte quella del nostro Sole. Una densa nube di gas e polvere molecolare circonda il Centro Galattico: avvolta all’interno del disco, c’è una cavità centrale con un raggio di pochi anni luce, pieno di polvere calda e gas.

A causa della minore densità di questo gas, esso viene riscaldato dalla forte radiazione ultravioletta da enormi stelle che orbitano vicino al Buco Nero. Il riscaldamento potrebbe anche essere dovuto a forti urti, generati da collisioni tra nuvole di gas o di materiale che scorre ad alta velocità tra le stelle; infatti, vaste quantità di polvere si trovano sul piano della galassia, intorno al centro, e questo oscura la nostra vista in luce ottica. Tuttavia, Herschel è dotato di una strumentazione estremamente sensibile alle lunghezze infrarosse più lunghe, e questo gli ha permesso di penetrare con lo sguardo attraverso queste nubi, ottenendo dati riguardo alla materia intorno al buco nero centrale.

Cosa ha scoperto Herschel? Ha svelato una grande varietà di molecole semplici nel cuore della Via Lattea, incluso del monossido di carbonio, vapore acqueo e cianuro di idrogeno. Analizzando l’impronta di queste molecole, gli astronomi sono riusciti a sondare alcune delle proprietà fondamentali del gas interstellare che circonda il buco nero.

Raffigurazione del gas e delle stelle intorno al buco nero al centro della Via Lattea. (Crediti: ESA).

“Herschel ha ottenuto immagini nel lontano infrarosso di regioni distanti soltanto 1 anno luce dal buco nero, rendendo così possibile, per la prima volta a queste lunghezze d’onda, separare emissioni diverse da diversi punti della cavità che circonda il denso disco molecolare intorno al buco nero”, ha chiarito Javier Goicoechea, del Centro di Astrobiologia in Spagna. La sorpresa maggiore è stata scoprire la temperatura altissima del gas molecolare nella regione più interna della galassia. Almeno parte di essa è intorno ai 1.000°C, molto più di quanto sono le tipiche nubi interstellari, che solitamente arrivano a poco sopra lo zero assoluto (a -273°C). Parte di questo riscaldamento può essere imputabile alla radiazione ultravioletta dell’ammasso di stelle massicce che vivono intorno al Centro Galattico, ma non bastano per spiegare le altissime temperature scoperte. Oltre alla radiazione stellare, il team coordinato da Javier Goicoechea ha formulato un’altra ipotesi: l’emissione da questi forti fronti che si espandono nel gas altamente magnetizzato potrebbero contribuire a creare collisioni tra le nubi di gas (o altro materiale) utile alla formazione stellare.

“Le osservazioni sono anche consistenti con le lunghe code di gas caldo che sappiamo stanno scendendo verso Sgr A*. Il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea forse stava pranzando proprio mentre stavamo guardando con Herschel”, ha concluso Javier Goicoechea. Ora, Daryl Haggard della Northwestern University ha presentato al Savannah International Convention Center i risultati e le conseguenze di alcuni studi già comparsi l’anno scorso sulla rivista Physical Review Letters, in cui si suggerisce che il movimento della nube di gas G2 verso il centro della nostra galassia potrebbe nascondere informazioni significative sulla natura di alcuni buchi neri non solo quelli di dimensioni “intermedie”).

G2 è stata scoperta tre anni fa da ricercatori del Max Planck Institute: è una massiccia nuvola di gas tre volte le dimensioni dell’orbita di Plutone (ma solo 3 volte la massa della Terra) che sta attraversando la nostra galassia.  Dopo aver tracciato il suo percorso futuro, i ricercatori della Columbia University hanno concluso che, con ogni probabilità, presto attraverserà una regione di spazio che ospita fino a 20.000 piccoli buchi neri (molto più piccoli del buco nero che si crede esista al centro della nostra galassia). Su queste basi, alcuni scienziati ritengono che la nube di gas inizierà ad avvolgersi in una vorticosa spirale non appena risentirà della loro gravità. Questo effetto spirale causato dall’intenso campo gravitazionale si suppone (e si spera) osservabile. Si stima, infatti, che dovrebbe causare un aumento repentino della temperatura e la conseguente emissione di raggi X, tanto da essere rilevabile dai nostri telescopi (si pensa di poter osservare almeno 16 interazioni di questo tipo).

Che cosa accada ad una nube di gas inghiottita da un buco nero già lo sappiamo. 

Simulazione di una nube di gas attratta dal centro di un buco nero. (Crediti: ESO/S. Gillessen/MPE/Marc Schartmann).

Nel luglio del 2013, nuove osservazioni del VLT (Very Large Telescope) dell’ESO hanno mostrato una nube di gas fatta a brandelli proprio da Sgr A*. Mentre la coda sta ancora cadendo verso il buco nero, per effetto della “spaghettificazione” la nube è così allungata che la parte anteriore ha superato il punto di minima distanza dal buco nero e si sta allontanando ad una velocità di oltre 10 milioni di chilometri all’ora.  Nel 2011 il VLT dell’ESO ha scoperto una nube di gas di parecchie volte la massa della Terra in accelerazione verso il buco nero al centro della Via Lattea che ha una massa stimata di circa quattro milioni di volte quella del Sole ed è conosciuto con il nome di Sgr A* (Sagittarius A star). Questa nube sta ora raggiungendo la minima distanza dal buco nero e nuove osservazioni del VLT mostrano che si sta palesemente allungando sotto l’influsso dell’estremo campo gravitazionale del buco nero (la distanza di massimo avvicinamento al buco nero è circa cinque volte la distanza del pianeta Nettuno dal Sole, realmente vicino per un buco nero con una massa di quattro milioni di volte quella del Sole).

Il VLT mostra la nube di gas in movimento. (crediti: ESO/S. Gillessen).

“Il gas in testa alla nube si estende ora su più di 160 miliardi di chilometri vicino al punto di minima distanza dell’orbita dal buco nero. E questo punto è solo a poco più di 25 miliardi di chilometri dal buco nero stesso – appena abbastanza per non caderci dentro. La  nube è così allungata che raggiungere la minima distanza non si rivela un evento singolo ma piuttosto un processo che dura almeno un anno”, commenta Stefan Gillessen (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germania) che ha condotto l’equipe osservativa.

Dal momento che la nube è allungata la sua luce diventa sempre più difficile da vedere. Ma osservando la regione vicina al buco nero per più di 20 ore in totale con lo strumento SINFONI montato sul VLT – l’esposizione più profonda di questa regione mai ottenuta con uno spettrografo a campo integrale- il gruppo di ricercatori ha potuto misurare le velocità delle diverse parti della nube mentre saetta vicino al buco nero centrale. In uno spettrografo a campo integrale la luce registrata da ogni pixel viene distribuita nei suoi colori componenti e così viene misurato uno spettro per ogni pixel. Gli spettri possono essere poi analizzati individualmente e usati per esempio per creare mappe delle velocità e delle proprietà chimiche di ogni punto dell’oggetto. I ricercatori sperano di trovare anche la prova dell’interazione della nube in moto rapido con il gas dell’ambiente circostante il buco nero. Finora non è stato trovato nulla, ma altre osservazioni sono in programma per cercare proprio tali effetti.

Nuove osservazioni con il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO mostrano per la prima volta una nube di gas che viene fatta a pezzi dal buco nero supermassiccio al centro della Galassia. Sono qui mostrate le osservazioni del VLT del 2006, 2010 e 2013, rispettivamente in blu, verde e rosso. A causa della distanza si può vedere in questa immagine solo la posizione e non la forma della nube. L’allungamento della nube si vede solo nelle misure di velocità che permettono agli astronomi di stabilire dove si trovino rispetto all’orbita le varie parti della nube. (Crediti: ESO).

“Il fatto più entusiasmante che vediamo nelle nuove osservazioni è la testa della nube che sta tornando verso di noi a più di 10 milioni di chilometri all’ora lungo l’orbita – circa l’1% della velocità della luce. “Ciò significa che l’estremità anteriore della nube ha già superato il punto di massimo avvicinamento al buco nero”, spiega Reinhard Genzel, a capo del gruppo di ricerca che ha studiato questa regione per quasi vent’anni. L’origine della nube di gas rimane ignota, anche se non mancano le idee a proposito. Gli astronomi pensano che la nube di gas potrebbe essere stata creata dai venti stellari delle stelle in orbita intorno al buco nero. O anche il risultato di un getto proveniente dal centro galattico. Un’altra possibilità è che una stella si trovi al centro della nube: in questo caso il gas sarebbe il prodotto del vento della stella o di un disco protoplanetario di gas e polvere intorno alla stella.  Le nuove osservazioni aiutano a restringere le possibilità.

“Come uno sfortunato astronauta di un film di fantascienza, vediamo che la nube viene stirata così tanto che sembra un fascio di spaghetti. Ciò implica che probabilmente non contiene una stella. Al momento pensiamo che il gas provenga dalle stelle che vediamo in orbita intorno al buco nero”, conclude Stefan Gillessen.  Il culmine di questo evento unico al centro della galassia sta avvenendo sotto i nostri occhi ed è tenuto sotto stretta osservazione dagli astronomi di tutto il mondo per raccogliere il numero maggiore di dati e informazioni sulla nube di gas. Mentre si sviluppa questo evento al centro della galassia, gli astronomi si aspettano di vedere che l’evoluzione della nube passi da puramente gravitazionale e mareale a un’idrodinamica complessa e turbolenta. Ciò posto, questa ricerca permetterà di sondare le regioni vicine al buco nero che non sono state studiate in precedenza e di valutare meglio quali siano gli effetti in presenza di una gravità estrema. (Fonte:http://phys.org/news/2014-04-gas-cloud-fate-reveal-growth.htm).

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