Mar 10

Dimmi come giri e ti dirò come mangi **

Lo scopo finale è abbastanza chiaro e ambizioso: sapere come e cosa mangia un buco nero galattico nelle fasi della sua evoluzione giovanile. Perché saperlo? Per capire se un buco nero si “ingrassa” attraverso spuntini sporadici o attraverso pranzi di tipo nuziale (l’aggettivo  cade proprio a proposito…). La soluzione di questo dubbio aprirebbe strade innovative sulla conoscenza dell’accrescimento dei buchi neri galattici. Vediamo come si potrebbe ottenere la risposta, in linea del tutto teorica.

Sarebbe fondamentale capire come ruota il buco nero. Perché. Presto detto. Sappiamo molto bene, anche da quanto abbiamo appena detto per le nane bianche in procinto di diventare supernove di tipo Ia, che se l’oggetto centrale ruota velocemente si ritarda il momento del collasso gravitazionale. Il concetto, trasportato ai buchi neri galattici, ci dice che più un buco nero ruota velocemente e più la materia che gli gira intorno si può avvicinare all’orizzonte degli eventi. La forza centrifuga bilancia la caduta gravitazionale. Tuttavia, affinché un  buco nero raggiunga elevate velocità rotazionali è necessario che si costruisca un disco stabile e duraturo che lo rimpinzi sempre nello stesso modo. Ne consegue che, se ci si accorge che un buco nero ha raggiunto velocità molto alte vuol dire che sta effettuando un pranzo nuziale e non un banchetto sporadico.

Se il “cannibale”, infatti, si cibasse di stelle di passaggio, ognuna di esse darebbe luogo a una rotazione del tutto casuale. Essendo oltretutto sporadica e saltuaria farebbe girare il buco nero in direzioni sempre variabili. Conclusione: il buco nero avrebbe una rotazione modesta. E’ un po’ come se volessi far girare una ruota enorme dandogli colpetti un po’ da un lato e un po’ dall’altro. Otterrei ben poco. Molto meglio sarebbe una spinta continua, sempre diretta nello stesso verso.

Bello, sicuramente bello. Come si potrebbe, allora, calcolare la velocità di un buco nero? Attraverso la distanza dall’orizzonte degli eventi a cui riesce arrivare la materia. Se questa distanza è minima, vuol dire che il buco nero ruota velocemente e che, quindi, sta cibandosi di qualcosa di veramente sostanzioso e regolare.

La differenza tra spuntino e pranzo nuziale si riferisce ovviamente a due processi fondamentali: la cattura di stelle o di nubi di gas e l’unione con un buco nero di un’altra galassia, capace di mantenere un banchetto lungo, spingendo sempre nello stesso verso. Come già detto, la differenza è importantissima per capire le strategie di accrescimento della massa di un buco nero galattico.

Sì, veramente una logica ineccepibile, ma  tra il dire e il fare c’è di mezzo la … distanza. Non siamo assolutamente in grado di misurare i limiti di un  disco di accrescimento di un quasar che dista parecchi miliardi di anni luce da noi (ops… la cui luce ha impiegato miliardi di anni per giungere a noi). Senza rotazione, siamo completamente bloccati. Ed ecco, allora, che viene in aiuto il più grande telescopio del mondo.

Un “doppio” (o triplo) telescopio dato che usa un paio delle più prestigiose strumentazioni umane, XMM e Chandra, per osservare una galassia lontana e molto massiccia, a cui è stato attaccato il telescopio di Einstein, ossia l’effetto lente gravitazionale causato dalla stessa galassia. Proprio dietro questo piccolo grande mostro vi è un quasar, la cui immagine, sebbene moltiplicata per quattro (la croce di Einstein, ma, ormai, si sa bene come ricostruire quella originale), mostra una quantità di dettagli che solo la lente gravitazionale può mettere in risalto attraverso la sua capacità di “ingrandire”.  XMM e Chandra lavorano nei raggi X e sono capaci di vedere come lo spettro del quasar varia in funzione della distanza dal centro, ossia dal buco nero vero e proprio. Riesce a farlo sfruttando la deformazione relativistica che si osserva. Questa analisi permette di capire fino a che distanza vi è materia attorno al buco nero, dato che qualsiasi emissione riceviamo deve provenire dal disco di accrescimento.

croce di Einstein
Le quattro immagini del quasar RX J1131-1231 prodotte dalla lente gravitazionale. Si è ottenuto uno spettro di altissima qualità nella banda X, che ha permesso di risalire alla rotazione del buco nero centrale. Fonte: NASA’s Chandra X-ray Observatory.

Il telescopio di Einstein ce l’ha fatta e ha potuto concludere che vi è materia fino a tre volte il valore del raggio dell’orizzonte degli eventi (la massa del buco nero si conosce e quindi anche il raggio). Questo valore comporta una velocità di rotazione pari a circa la metà della velocità della luce. Niente male! Se ne può concludere che il buco nero si sta nutrendo di materiale proveniente dall’unione con un alto fratello galattico. Elementare, veramente elementare!

Il quasar è stato osservato quando aveva un’età di circa 8 miliardi di anni.

Ragazzi, mi gira la testa… anche se a velocità nettamente minore di quella del disco di accrescimento…

Lavoro originario QUI

15 commenti

  1. Walter

    Scusa una domanda ingenua. Capisco che una nana bianca possa ritardare il momento del collasso girando su se stessa molto velocemente per la forza centrifuga.
    Ma penso che se la Terra girasse su se stessa in 4 ore invece che 24 la forza di gravità sarebbe inferiore a quella attuale all'equatore ma ai poli sarebbe la medesima. Inoltre non penso che l'orbita della Luna ne risentirebbe del cambiamento della rotazione della Terra.
    Capisco che se la materia che cade in un buco nero ruota molto velocemente possa 'spingere' a ruotare il buco nero più o meno velocemente, ma penso che data la massa del buco nero non possa influire più di tanto, tranne per 'scontri' tra buchi neri (se cade un meteorite di 100 chili sulla terra non penso che la Terra modifichi la velocità della sua rotazione.).
    Quello che non capisco perché 'più un buco nero ruota velocemente e più la materia che gli gira intorno si può avvicinare all'orizzonte degli eventi'.
    Se il buco nero ruota o non ruota la forza di attrazione non è la medesima?
    Non è la forza centrifuga della materia che cade che 'ostacola' la gravità e perciò può avvicinarsi?
    Grazie
     
     

  2. eh no... pensa soltanto a quelle giostre dove si fa il giro della morte. Se andasse lentamente cadrebbe al suolo. Per restare in orbita deve andare molto veloce: la forza centrifuga si ribella alla gravità (ossia alla forza centripeta). Devo uscire... ma se non ti è sufficiente... domani ne riparlo più dettagliatamente.... :wink:

  3. Walter

    Scusa ma forse mi sono espresso male.
    Non discuto della forza centrifuga che si ribella alla gravità, infatti ho detto che se la Terra ruotasse più velocemente avremmo un gravità inferiore all'equatore ma non ai poli.
    Sulla giostra è il vagone che 'gira' alla velocità tale che la la sua forza centrifuga vince la gravità e non cade.
    Newton nella legge gravitazionale parla delle masse dei due corpi diviso alla loro distanza al quadrato e della costante k,  non parla che i due corpi ruotino su se stessi o no.
    Ad ogni modo per il momento grazie e attendo domani
     

  4. Supermagoalex

    "Quello che non capisco perché ‘più un buco nero ruota velocemente e più la materia che gli gira intorno si può avvicinare all’orizzonte degli eventi’.

    Quello che influenza la rotazione della materia che gira intorno al buco nero è la rotazione dello spazio, e non la rotazione del buco nero stesso. Questa rotazione è tanto più rapida quanto più vicina è la materia al buco nero, in quanto come detto prima la forza centrifuga bilancia la forza gravitazionale.

  5. grazie Ale,
    volevo infatti rimandare Walter agli articoli che avevo scritto sui buchi neri rotanti. Sulla forza di gravità, invece, forse Walter cade in un piccolo "loop".  E' verissimo che la legge di gravità non parla di velocità... ma cadiamo nella domanda tipica: "Perché la Terra gira intorno al Sole e non gli cade sopra?"... eppure la gravità direbbe quello... Il fatto è che esiste una velocità di rotazione e che nasce una forza "apparente" (o come vogliamo chiamarla) che si ribella a quella centripeta. La materia che arriva nei pressi del buco nero ha una sua velocità e quindi si mette in orbita, dove poi risentirà più o meno degli effetti della rotazione dello spazio. Pensa al sasso tirato da Newton verso il cielo: se la velocità è sufficiente il corpo non cade più, ma la gravità è sempre la stessa. 
    Forse si capisce meglio l'insieme velocità orbitale e rotazione dello spazio, pensando a un buco nero come a un vortice che sprofonda nel tessuto spaziale. Per non finirci dentro è necessario girarci intorno ad altissima velocità...
    Il discorso sugli urti piccoli o grandi è invece un problema di trasferimento di momento angolare, così come quello della Luna che girerebbe sicuramente più veloce se fosse vicina... Una serie di fenomeni mischiati assieme... insomma...
    Caro Walter, gli articoli sui buchi neri rotanti e sulla formazione dei dischi li trovi su astronomia.com, negli approfondimenti sui buchi neri...

  6. gioyhofer

    Vediamo se ho capito bene, per capire come si accresce un buco nero basta pensare ad un mulinello che si forma nel mare, più gira velocemente, più grande diventa e quindi più materia attira verso di se?
    Ho anche una curiosità da soddisfare, come anno gli scienziati, osservando la croce di Einstein a ricostruire l'immagine originale di una Galassia deformata da questo effetto? 
    Grazie 

  7. Più o meno sì, Georgia. Ancora meglio pensare che più va veloce e più si avvicina all'orlo del ... buco. Comunque ciò che dici è vero!

    La seconda domanda è proprio quello che mi lascia a bocca aperta! Anche a me sembra impossibile, ma le analisi degli spettri sono talmente accurati che anche un segnale diviso in quattro può combinarsi in modo controllabile e controllato. In fondo, ciò che è importante è l'informazione contenuta nel segnale. Se questa è sufficiente si riesce a estrarla e a leggerla correttamente con le tecnologie attuali.

  8. gioyhofer

    Sorprendente...

  9. Walter

    Grazie ad entrambi ma, scdusate, io sono imbranato.
    Ciò vuol dire che lo 'spazio' all'esterno dell'orizzonte (quello normale per intenderci), degli eventi ruota e non ruota solo la materia?
    Come posso vado a cercare gli articoli su astronomia.com 

  10. Sì, Walter... un buco nero non solo deforma lo spazio-tempo ma costringe a ruotare lo spazio come se lo trascinasse con lui... Avevo scritto un paio di articoli sui buchi neri rotanti.... Vedrai che li trovi subito... (non sono semplicissimi, però...)

  11. alexander

    scusate mi e' venuto un dubbio che pensavo di non avere, ma cosa c'e' nello spazio tra orizzonte degli eventi e materia?
    luce vero? 

  12. caro Ale,
    tutto ciò che vuoi... ossia quello che sta cadendo verso il buco nero... 

  13. AlexanderG

    Caro Enzo,
        complimenti come sempre per i tuoi splendidi articoli.
    Una domanda: quando scrivi "la massa del buco nero si conosce e quindi anche il raggio", in realtà per "raggio" intendi il suo orizzonte degli eventi, corretto?
    Da ciò che ho capito finora, un buco nero, per definizione, ha un raggio che è interamente contenuto all'interno del suo orizzonte degli eventi, ma non ci è dato poter sapere quanto sia la misura di questo raggio, ovvero quanto è collassato i, buco nero.
    Spero di non essermi sbagliato :)

    Ciao,
        Alex.
     

  14. caro Alex,
    sì, quando dico raggio intendo quello dell'orizzonte degli eventi che dipende solo dalla massa che contiene. Riguardo al raggio effettivo della stella collassata l'interesse è minore, dato che all'interno dell'orizzonte degli eventi non possiamo vedere e analizzare niente. Oltretutto questo è un raggio in continuo divenire che -teoricamente- deve diventare un punto singolare e quindi non occupare volume. OK?

  15. AlexanderG

    Chiarissimo grazie.

Lascia un commento

*

:wink: :twisted: :roll: :oops: :mrgreen: :lol: :idea: :evil: :cry: :arrow: :?: :-| :-x :-o :-P :-D :-? :) :( :!: 8-O 8)

 

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.