Buchi neri obesi e schiume di gas ultraveloci

Rappresentazione artistica di un massiccio Buco Nero al centro di una Galassia.(Crediti: NASA).

GERMANIA -Obese Black Hole Galaxies. Così sono state battezzate da un gruppo di ricercatori del Max Planck Institute che hanno descritto le antiche galassie con al centro buchi neri la cui massa superava quella delle stesse stelle. Potrebbero essere stati all’origine dei quasar? Nascondono i segreti del Big Bang? Potrebbero dirci qualcosa in più sulla gravità in condizioni estreme? Per ora non lo sappiamo: gli scienziati sperano di capirne di più mediante le osservazioni del James Webb Space Telescope, il cui occhio scruterà i confini più remoti dell’Universo alla ricerca di qualche traccia di questi oggetti così misteriosi. Lo studio è stato pubblicato l’anno scorso nella rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

Che cosa ha innescato il processo di formazione delle prime galassie? In questo nuovo studio si ipotizza siano stati proprio questi buchi neri e non le stelle: questi corpi giganteschi si sarebbero poi espansi fino a diventare i buchi neri supermassicci che oggi troviamo al centro di molte galassie. Ma per essere plausibile, questa ipotesi deve assumere l’esistenza di un nuovo tipo di galassie, le Obese Black Hole Galaxies (OBG), in cui la massa del buco nero centrale è inizialmente superiore a quella di tutte le stelle (e la materia) circostante, in cui la radiazione emessa dalla galassia è primariamente originata dalla zona di accrescimento del buco nero stesso. Questi oggetti dovevano essere così luminosi che, secondo i ricercatori, telescopi di prossima generazione come il James Webb non dovrebbero avere molte difficoltà nell’osservarli nell’Universo profondo (e primordiale).

La teoria potrebbe anche spiegare la comparsa dei quasar – antiche galassie con al centro un buco nero supermassiccio – se non altro per questioni “temporali”: alcuni di essi, infatti, risalgono ad appena un miliardo di anni dopo il Big Bang. Resta però un problema: come hanno fatto a crescere così velocemente? I buchi neri nascono dopo la morte di una stella e crescono inglobando detriti e polvere interstellare. Certo, questa è la prassi: non sempre, però, dal momento che esisterebbero buchi neri che hanno già dimensioni anomale al momento della loro nascita (sarebbero, infatti, originati dallo scontro di nubi di idrogeno atomico estremamente grandi, milioni di volte più grandi del Sole). Bhaskar Agarwal, primo autore dello studio, crede che di questi buchi neri obesi ce ne fossero parecchi già qualche centinaio di milioni di anni dopo il Big Bang, e che siano stati loro a generare i quasar.  I ricercatori contano di ottenere maggiori informazioni con il James Webb Space Telescope della NASA, che verrà lanciato in orbita nel 2018 e potrebbe spingersi abbastanza indietro nel tempo da vedere le OBG.

Study explains decades of black hole observations

Schema di ciò che accade attorno all’orizzonte degli eventi. (Crediti: Goddard Space Flight Center della NASA).

Gli astrofisici della Johns Hopkins University, in collaborazione con la NASA e il Rochester Institute of Technology, hanno condotto una ricerca che colma il divario tra teoria e osservazione, dimostrando che il gas a spirale attorno ai buchi neri inevitabilmente si traduce in emissioni di raggi X. L’articolo, intitolato X-ray Spectra from Magnetohydrodynamic Simulations of Accreting Black Holes, è stato pubblicato nella rivista The Astrophysical Journal nel fascicolo numero 1 di giugno 2013. 

Intorno ai buchi neri gli strati di gas si riscaldano fino a circa 10 milioni di gradi Celsius (questi strati formano il cosiddetto disco di accrescimento). La temperatura nel corpo principale del disco è di circa 2.000 volte più alta di quella del Sole, ed emette bassa energia o raggi X molli. Tuttavia, le osservazioni hanno permesso di rilevare anche raggi X duri che producono livelli di energia più elevati (fino a 100 volte). Ecco emergere il problema: qual è la fonte di questi due tipi di raggi X? E la stessa oppure è causata da fenomeni indipendenti? Usando una combinazione di simulazioni effettuate dal Ranger supercomputer situato presso il Texas Advanced Computing Center di Austin, gli scienziati hanno dimostrato che l’emissione di luce ad alta energia non solo è possibile, ma è un risultato inevitabile dell’ebollizione della corona attorno a questi giganti dello spazio. Ranger è un supercalcolatore che ha lavorato circa 27 giorni, più di 600 ore, per risolvere le equazioni necessarie per giungere ai risultati che qui esponiamo. Vediamo come si spiega questa doppia emissione di raggi X.

In alto a sinistra si vede la galassia NGC 3842, focalizzando nel riquadro dal centro distorto per simulare la zona del buco nero. La grandezza del buco nero viene comparata a quella del Sistema Solare. (Crediti: Pete Marenfeld).

Una schiuma veloce come la luce. La corona, posta sopra il disco di accrescimento, ha una temperatura elevatissima ed è circondata da gas più freddi: sarebbe proprio questa zona – che ha molte affinità con la corona del Sole – ad essere responsabile di gran parte dell’emissione nella lunghezza d’onda dell’ultravioletto. Gli scienziati hanno riprodotto in dettaglio il complesso movimento di afflusso-reflusso dei gas in prossimità del disco di accrescimento “misurando” le variazioni del campo magnetico circostante.

L’aumento di temperatura, densità e velocità del gas in ingresso amplifica enormemente i campi magnetici che, successivamente, esercitano una specie di spinta attraverso il disco che – come se fossimo in presenza di un effetto domino – riscalda ulteriormente il gas contiguo. Il risultato è una schiuma molto densa che orbita intorno al buco nero a velocità prossime alla velocità della luce: i calcoli hanno permesso di avere un’idea delle sue proprietà elettriche e magnetiche, tenendo ovviamente conto degli effetti descritti dalla Relatività Generale di Einstein. Questi risultati valgono nel caso in cui si abbia a che fare con buchi neri non rotanti. Il passo successivo sarà confrontare questi dati con le simulazioni che spiegano il comportamento degli altri tipi di buchi neri: in particolare, i buchi neri di Reissner – Nordstrom, dotati di massa e carica elettrica, e i buchi neri di Kerr che sono, appunto, rotanti.

Fonti: oxfordjournals.org/content/early/2013/05/23/mnras.stt696

http://www.sciencedaily.com/releases/2013/06/130614140504.htm

(Articolo comparso su cyberscienza.it nel giugno 2013).

 

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