COME TROVARE UN BUCO NERO STELLARE

(19/9/2014)

Fino a non molti anni fa un buco nero era solo e soltanto un’ipotesi teorica. D’altra parte, l’unica informazione che riceviamo dal Cosmo è la luce e la stessa definizione di buco nero dovrebbe escludere ogni tentativo di osservazione. Fortunatamente, i buchi neri sono spesso accompagnati e questo, per mezzo delle tecnologie attuali, riesce a far vedere ciò che non potrebbe essere visto. “Vediamo” allora come si possono scoprire e quanti, approssimativamente, ne conosciamo.

Prima di andare avanti, mettiamoci bene in testa un dato di fatto: nessuno è ancora riuscito a vedere direttamente un buco nero e tutto ciò che sappiamo su di loro deriva da osservazioni indirette. Quando si parla di getti, di campi magnetici, di emissione di raggi X, di deformazioni spazio-temporali, ci si riferisce sempre e soltanto a ciò che capita a qualcosa che NON è il buco nero, ma che gli sta molto vicino. Sembra una banalità, ma vedremo che ciò impone, spesso, regole di classificazione abbastanza precise, basate sulle loro compagne. Trascuriamo del tutto i buchi neri galattici e tutte le macroscopiche manifestazioni che ormai ognuno conosce. Limitiamoci ai casi in cui siamo di fronte a una stella molto massiccia che, giunta alla fine della sua vita “normale”, subisce un collasso gravitazionale ed esplode come supernova (quasi sempre).

Normalmente, ci si riferisce subito ai sistemi binari, ma noi cerchiamo di andare più a fondo della questione e di fare un quadro il più completo possibile. Ricordo ancora che la scoperta (quasi sicura) del primo buco nero stellare risale al 1972 e ha un nome ormai celebre: Cyg X-1. Ricordiamo anche, però, che per ben dieci anni si è anche cercato di trovare soluzioni alternative. I buchi neri sono perciò oggetti giovanissimi! Vedremo che il loro numero è cresciuto di molto, ma vogliamo prima studiare esempi meno evidenti, anche se scoperti (o supposti) molto più recentemente. In altre parole partiamo dai casi più “difficili”.

Prima di iniziare, lasciatemi fare un’altra costatazione molto importante e spesso trascurata. Un buco nero è qualcosa di estremamente massiccio, invisibile, ma capace di fare sentire la propria gravità. Questa definizione di tipo “osservativo”sembrerebbe ottima, ma non è assolutamente sufficiente. Vi sono altri oggetti che possono presentarsi nello stesso modo. Addirittura, anche stelle del tutto normali, ma di scarsa luminosità. Di sicuro le nane bianche e ancor di più le stelle di neutroni. Non stupiamoci quindi se certe decisioni possono essere prese solo dopo aver calcolato la massa dell’oggetto che non si vede. Già questo fatto ci fa capire che se non otteniamo una stima della massa abbiamo ben poche speranze di parlare di buchi neri. Ma per calcolare la massa di una stella è necessario che abbia una compagna. Risulta quindi ben chiaro che i buchi neri accompagnati sono i più favoriti per essere scoperti. Proviamo, però, a vedere se vi sono metodi alternativi

Buchi neri isolati

Ce ne sono di sicuro e molte stelle vivono da sole morendo come supernove. Tuttavia, una cosa è dire che forse all’interno di quella nube che si espande vi è un buco nero e un’altra è essere sicuri che vi sia realmente. Sarebbe troppo facile usare l’equazione: supernova di un certo tipo = buco nero. Ci voglio altre prove. E poi non è che nella nostra galassia le supernove avvengano tutti i giorni…

Microlensing

E’ un effetto molto poco visibile, ma sicuramente affascinante: la deformazione dello spazio a cui nemmeno la luce può sottrarsi. Un buco nero, per piccolo che sia, perturba fortemente lo spazio che lo circonda. Il Sig. Einstein ci ha dimostrato che l’immagine di un oggetto, che passa dietro a uno spazio deformato da una grande massa, deve subire una deformazione e un aumento di luminosità. Sto parlando, ovviamente, della lente gravitazionale. Tuttavia, anche se ormai di dominio pubblico, questi effetti anche macroscopici, saltano agli occhi quando la “lente” è un oggetto veramente gigantesco: una galassia, un ammasso galattico e cose del genere. Non per niente è una tecnica che si usa per “migliorare” le prestazioni dei più grandi telescopi terresti e spaziali e riuscire a osservare oggetti ai confini dell’Universo conosciuto (ossia risalenti alle prime fasi del Cosmo), altrimenti fuori portata per i nostri strumenti. Normalmente, prima si sceglie la “lente” e poi si guarda cos’è riuscita a fare.

Se la lente è invece un buco nero stellare la faccenda si complica parecchio perché è proprio la lente che bisogna scoprire e valutare. In poche parole bisogna riuscire a scoprire se una qualche stella subisce inspiegabili variazioni di luminosità e deformazioni visive. In condizioni normali questo è un fenomeno talmente veloce e difficile da “catturare” che non viene assolutamente considerato (come vincere tre superenalotto di fila). C’è solo da sperare che l’evento sia abbastanza lungo, aumentando le probabilità di rilevazione. Per ottenere ciò vi sono due possibilità: o il buco nero è veramente molto massiccio e quindi il suo campo d’azione è molto vasto, oppure il movimento mutuo tra stella “segnale” e buco nero è molto lento.

Questo tipo di movimento si ottiene proprio sfruttando la posizione della Terra rispetto a segnale e lente. Se i due oggetti sono nella giusta configurazione (uno dietro l’altro), basta il moto di rivoluzione terrestre a far variare le condizioni di vista e evidenziare fluttuazioni luminose periodiche. E’ una specie di parallasse di microlenti (microlensing parallaxes). In queste situazioni, assumendo una certa distribuzione di velocità della galassia, si riesce a calcolare sia la distanza che la massa della microlente. Una cosa, però, è il dire e un’altra è il fare… Al momento vi è un solo candidato piuttosto valido (MACHO-99-BLG-22)… che io conosca, almeno.

Buchi neri singoli affamati

Un buco nero isolato ha comunque molta fame e cerca di mangiare ciò che può. Anche senza avere una compagna accondiscendente, può adattarsi a cibarsi di quel poco che gli offre lo spazio interstellare. Spuntini e poco di più, ma a volte potrebbero essere visibili. Materia che cade verso il buco nero vuol dire emissione di raggi X e magari anche radiazione di sincrotrone, che possono risultare visibili anche nell’ottico. Cercando negli archivi dello Sloan Digital Sky Survey sono stati selezionati ben 150 000 oggetti che mostrano uno spettro di questo tipo. Tra questi, 47 sorgenti sono state confermate da Rosat X. Dopo osservazioni più accurate ne sono rimasti 40. Tuttavia, teniamo presente che essi sono solo candidati che potrebbero essere qualsiasi cosa, anche un lontanissimo quasar…

Ovviamente nessuna speranza di “osservare” buchi neri singoli senza cibo a disposizione…

Buchi neri accompagnati

Beh… qui le cose vanno molto meglio. Data la massa considerevole dei buchi neri, le loro compagne sono praticamente obbligate a donargli parte della loro materia. Ma non sempre è così ed è meglio definire anche una situazione particolare.

Buchi neri e stelle troppo agitate

In questa categoria si inseriscono possibili buchi neri accompagnati da stelle così attive che, pur avendo sicuramente una compagna invisibile, hanno una tale luminosità da non mostrare segni di trasferimento di massa. Normalmente sono stelle Wolf-Rayet e la sorella può benissimo essere una stella normale. Ma è meglio tenerle sotto osservazione. Se ne sono osservate 17.

Buchi neri e stelle molto generose

Ben più interessanti sono i sistemi binari che mostrano caratteristiche ben chiare di trasferimento di massa. Essi vengono divisi in tre categorie che, come già detto, si riferiscono principalmente proprio alle stelle “donatrici”. Si tratta di segnali peculiari che si accompagnano quasi sempre all’emissione di raggi X. Ricordiamo che i raggi X sono prodotti nella “caduta” di materiale verso una stella decisamente più compatta (di qualsiasi tipo). Cadendo, viene rilasciata energia potenziale e vi è emissione di energia elettromagnetica.

Il materiale che invia segnali utili per capire chi lo sta attirando, attraverso la sua rotazione e la temperatura raggiunta, è pur sempre una parte della stella “normale”. La stella compatta non fa assolutamente niente di “suo”, almeno non in maniera diretta. Non è essa che emette, ma è la sua gravità che induce a emettere quello che sta “succhiando”.

Queste binarie vengono chiamate binarie a raggi X (è facile capirne il motivo) e possono essere di piccola, media e grande massa. La massa è ovviamente quella della donatrice.

Le differenze nella massa della donatrice causa differenze nell’intensità dei raggi X e nella loro tempistica. Ad esempio, nelle binarie di piccola massa, il processo di rifornimento avviene a volte in modo transiente e non continuo. Il che implica che il sistema è per lungo tempo quiescente e poi dà luogo a improvvise fiammate X che possono durare pochi mesi. Osservazioni compiute in questo periodo possono evidenziare se rimane un’emissione residua dopo la fiammata. Se ciò capita la stella compatta è probabilmente una stella di neutroni, dato che qualcosa è emesso direttamente da lei. Se, invece, non vi è emissione residua probabilmente è un buco nero che inghiotte tutto e non rilascia niente. Ovviamente, sto di molto semplificando la faccenda.

Altre volte, è la dimensione del bordo inferiore del disco di accrescimento a dare qualche indicazione: se è “troppo” largo può far pensare a un orizzonte degli eventi e quindi a un buco nero.

Vi sono innumerevoli segnali legati ai raggi X, ma nessuno di questi è veramente decisivo. Possono dare indicazioni, ma difficilmente risolvono il dilemma tra stella di neutroni e buco nero. Ciò che veramente può essere un’informazione decisiva è la massa della stella compatta. Vedremo tra poco come questo parametro fondamentale si riesca a ottenere, in modo più o meno incerto.

E’ interessante, comunque, spiegare come avviene la formazione del disco di accrescimento e la sua digestione quasi improvvisa. Nella fase quiescente la materia della donatrice entra dal punto lagrangiano e comincia a orbitare attorno all’oggetto compatto. Il disco continua a rafforzarsi e ad addensarsi fino a un valore critico. La densità altissima crea effetti di viscosità e di aumento di temperatura che ionizzano la materia. Essa diventa instabile nello strato più interno che viene trascinato velocemente verso la stella compatta. Il calore sempre più intenso del disco interno riscalda, però, anche quello esterno che rapidamente segue la stessa sorte. E’ il momento della fiammata.

Poi, lentamente, si ricomincia ad accumulare materia nel disco. Un processo non molto diverso da quello delle nove (che però contengono spesso una nana bianca). Se il flusso è continuo o variabile, se è più intenso o meno intenso e altre caratteristiche ancora più raffinate danno ulteriori piccole informazioni su ciò che si nasconde nell’abbraccio della compagna. In linea di massima, potremmo dire che meno informazioni arrivano dalle zone più interne del disco di accrescimento (come, ad esempio, il punto caldo di impatto sulla superficie della stella compatta) e più il buco nero diventa ipotesi plausibile. Come già accennato, la presenza di un orizzonte degli eventi cancella tutto ciò che vi è tra lui e ciò che ancora esiste della stella collassata.

Cerchiamo, allora, di capire come si fa a calcolare la massa di un oggetto che non si vede e che è sospettato solo per il tipo di emissione che viene inviata attraverso la materia sfuggita alla compagna, l’unico oggetto visibile per definizione.

Funzione di massa

Le due stelle sono vicinissime e bisogna accontentarsi della curva spettroscopica di quella visibile. Essa permette di determinare il periodo di rivoluzione e il semiasse moltiplicato per il seno dell’angolo di inclinazione orbitale (si può dimostrare con un po’ di matematica). Non è molto, ma pasticciando con la legge di gravitazione universale di Newton (vedete quanto serve ancora il nostro antiquato scienziato) si riesce a determinare la cosiddetta funzione di massa del sistema binario.

Indichiamo con M_C e M_V le masse dell’oggetto compatto e dell’oggetto visibile. a è il semiasse orbitale, i l’inclinazione orbitale rispetto alla linea di vista, P il periodo di rivoluzione. Si deriva la semplice formula per la funzione di massa F(M_C):

F(Mc) = M_C³sin³i/(M_C + M_V)² = 4π² (a sini)³/GP²

Se si conoscesse il rapporto di massa o la massa della stella visibile (il che vuole spesso dire conoscere la distanza del sistema) o si avessero altre informazioni orbitali (non semplici da ottenere in molti casi) come la presenza di eclissi nei raggi X (la stella visibile passa davanti alla compagna e pone dei limiti all’angolo i) e chi più ne ha più ne metta, si otterrebbero entrambe le masse.

In generale, però, la funzione di massa permette di calcolare la massa minima dell’oggetto compatto. Se questa supera già un certo valore, possiamo essere sicuri che sia un buco nero. Altrimenti, bisogna fare sforzi ulteriori come nel caso del celeberrimo Cyg X-1.

Insomma, avete capito che bisogna usare strategie più o meno incerte e/o ultra raffinate per poter arrivare a un livello d’incertezza sempre minore. Geometria e dinamica del sistema, fisica e struttura delle emissioni, cercano di lavorare tutte assieme per trasformare una singola stella, le cui righe spettrali (a volte solo nei raggi X) ballano un pochino verso di noi e in verso opposto, in uno scrigno prezioso che contiene (o può contenere) uno degli oggetti più strani e importanti dell’Universo.

Pensate che, a volte, serve perfino fare ipotesi sulle dimensioni del lobo di Roche e sulla sua deformazione durante la rotazione. E’ comunque sempre fondamentale la conoscenza dell’evoluzione di una stella (la donatrice) che permette proprio di creare un modello da inserire nel posto giusto e con le modalità giuste. E, come già detto, questo passaggio comporta la conoscenza della distanza della sorgente. Un bel puzzle, non c’è che dire!

Ammettendo pure che alla fine si riesca ad avere un valore abbastanza accurato (direi meglio “poco incerto”) della massa del misterioso oggetto compatto, abbiamo una qualche certezza per decidere cosa rappresenti?  Vale la pena sprecare qualche parola a riguardo.

La massa di Oppenheimer-Volkoff

Teoricamente esiste un limite di massa che causa il collasso di una stella di neutroni in buco nero. Al pari del limite di Chandrasekhar, che segna il passaggio da nana bianca a stella di neutroni (circa 1,4 masse solari) e che dice quanto la barriera elettronica possa resistere alla pressione gravitazionale prima di unirsi ai protoni e creare una quantità enorme di neutroni, esiste anche un limite che segna quanto la barriera neutronica possa resistere all’ultima decisiva degenerazione della materia che viene trascinata verso il famoso e teorico punto singolare, protetto all’esterno dal sempre vigile e inflessibile orizzonte degli eventi: una vera e propria cortina di ferro!

Questo limite teorico, dove la densità della materia supera la densità nucleare, prende il nome di limite o massa di Oppenheimer-Volkoff. Essendo un limite teorico, esso dipende molto dai parametri scelti nelle equazioni di stato e dalle procedure evolutive della degenerazione. Esso è compreso tra 1.5 e 2.7 masse solari. Inserendo ulteriori considerazioni relativistiche si arriva a valori più plausibili compresi tra 3.2 (oggetti non rotanti) e 3.9 (oggetti rotanti) masse solari.

Come tutti i valori teorici, è essenziale “testarli” con le osservazioni. Per far ciò non resta che calcolare le masse di stelle sicuramente di neutroni, ossia che abbiano le caratteristiche delle pulsar (con un segnale radio ben identificabile). Sembrerebbe facile, ma tale non è. Un conto è ricevere un bel segnale da un faro cosmico e un altro è conoscere la sua massa.

Ancora un volta, per avere informazioni sulla massa è necessario che vi sia un sistema binario, in modo da poter applicare la legge di Newton. Le migliori determinazioni di massa si sono avute da sistemi doppi composti da due stelle di neutroni. In ogni modo, la media dei valori ottenuti si aggira proprio poco oltre il limite di Chandrasekhar. Mettendo insieme teoria e quel poco di osservazioni che si hanno, si è deciso di considerare come limite per essere classificato come buco nero quello di 3 masse solari. Se poi, l’analisi dei raggi X conforta questa conclusione… tanto meglio!

Come avete visto, non è semplice dedurre se un sistema doppio contiene un buco nero. Resta, però, il fatto che se le stelle non sentissero il bisogno di vivere in coppia ben poco si potrebbe sapere sui buchi neri stellari. Rimarrebbero ancora una pura ipotesi teorica… Inoltre, è anche estremamente utile, anzi decisivo, il fatto che le due compagne vivano molto vicine tra loro e che abbiano masse diverse (ossia una sia ancora in grado di fornire materia alla compagna). In tale modo è “facile” determinare la funzione di massa spettroscopica.

Richiamo ancora il fatto che chi compie l’intero lavoro è solo e soltanto la stella visibile: è lei che ci regala lo spettro; è lei che rifornisce di materia la compagna ormai nascosta alla vista; è questa materia che emette i raggi X. insomma, se non ci fosse lei… ciao buchi neri! Tutto ciò che questi riescono a fare è alzare una cortina invalicabile alle informazioni e indicare la possibile presenza di un muro spazio-temporale che le circonda.

Abbiamo dato una visione molto sommaria a uno degli studi più complessi e incerti che devono affrontare gli astrofisici. I raggi X vengono sezionati e analizzati fino allo stremo per non perdere neanche la più piccola variazione o anomalia.

A tutt’oggi dovremmo avere una ventina di buchi neri stellari, nella nostra galassia, abbastanza ben accertati. In lista d’attesa ve ne sono almeno una trentina. Non è facile trovarne una lista aggiornata, ma accenniamo soltanto ad alcuni casi tra i più indicativi.

Non si può non cominciare dal primo e sicuramente dal più famoso.

Cyg X-1

Forse l’unico sicuro al 100%, anche se la massa del buco nero non è del tutto accertata. La funzione di massa dà un valore molto basso e sono state necessarie molte ricerche supplementari. Fondamentale è stata l’accettazione dell’appartenenza della sorgente all’associazione stellare Cyg OB-3, la cui distanza è stata determinata in circa 6000 anni luce da noi. La compagna è inoltre un vero gigante, una supergigante blu molto luminosa, di almeno trenta masse solari (le sue caratteristiche e la distanza ci informano sulle dimensioni). Il buco nero ha un massa intorno alle 15 masse solari. No, non stupitevi e non chiedetemi come mai una stella “così” piccola è “morta” prima della compagna più grande. 15 è la massa del buco nero, nettamente inferiore alla massa originaria della stella. Essa doveva essere di almeno 40-50 masse solari. Gran parte della sua massa è stata lanciata nello spazio dal vento stellare intensissimo (e magari ha fatto mangiare un po’ la sorella) ed è probabile che sia collassata direttamente in buco nero nel momento in cui stava ancora bruciando il silicio, senza dar luogo a supernova. La presenza della compagna ancora così vicina sembra appoggiare questa ipotesi. Insomma, un sistema di veri e propri mostri, molto affiatati.

LMC X−3

La sua funzione di massa è di 2.3 e qualche ulteriore considerazione sul “range” dell’angolo d’inclinazione orbitale ha portato a una massa del buco nero compresa tra 4 e 9 masse solari.

SS 433

Anch’esso famosissimo e molto studiato. Purtroppo il ben visibile disco d’accrescimento è l’unico che può essere usato per la determinazione del periodo, dato che la donatrice non mostra righe utilizzabili. In pratica, si riesce a determinare solo la funzione di massa, con l’aggiunta di qualche dato sull’inclinazione. Vari studi hanno portato a valori molto diversi, ma si pensa che il valore migliore porti a una massa del buco nero pari a circa (molto circa) 10 masse solari.

GRO J0422+32

Un probabile mini-buco nero … solo 3.5 masse solari. Proprio al…pelo! Per adesso è il più piccolo osservato.

A 0620−00

La funzione di massa lo dà già vicino al valore limite: 2.7 masse solari. Il sistema, però ha avuto una storia molto travagliata, dato che l’angolo i sembrava variare continuamente, probabilmente in parte per errori insiti nel modello, ma anche per variazioni del disco di accrescimento vero e proprio e quindi delle eclissi causate dalla donatrice. Si accetta un valore tra le 8 e le 11 masse solari.

GRS 1009−45

Funzione di massa e angolo di inclinazione abbastanza in accordo per dare un valore finale basso: da 3 a 5 masse solari.

XTE J1118+480

La funzione di massa è già di per sé sufficiente a farlo entrare tra gli “eletti”: 6 masse solari. Ritocchi basati su i portano a un valore di poco più alto.

Ecc... ecc... ma non vale la pena continuare.

Meglio dare qualche numero statistico. Di 51 possibili buchi neri (all’inizio degli anni 2000) ben 44 (tra cui 13 confermati) appartengono a sistemi binari di piccola massa.  Solo 7 hanno una compagna di grande massa (5 confermati). Abbastanza stranamente, le stelle di neutroni accertate (80) mostrano un andamento opposto: solo pochissime appartengono a sistemi di piccola massa. Boh…? Certamente un argomento da studiare più a fondo.

E’ anche interessante il fatto che la maggior parte dei buchi neri appartengano a sistemi che mostrano il fenomeno della “nova X”, ossia episodi ricorrenti di esplosioni X. Ed è anche vero il viceversa: quasi tutte le nove X contengono un buco nero. Il loro numero aumenta continuamente e sono tra i migliori candidati.

Alcune conclusioni molto preliminari, ma indicative:

I buchi neri sembrano formarsi più facilmente di quanto si prevedeva fino a pochi anni fa. Il limite della massa originaria della stella di sequenza principale che finisce come buco nero scende da 40-50 masse solari a solo 20-25. Durante la fase di supernova sembra che sia espulsa la metà della massa stellare (probabilmente la massa espulsa precedentemente è minore di quanto si pensasse).

Insomma, molto c’è ancora da fare… ma -ricordiamocelo- senza un perfetto lavoro di coppia ben poco si saprebbe sui buchi neri stellari.

NEWS!! Negli ammassi globulari potrebbero esserci molti buchi neri stellari e molti altri potrebbero essere diffusi nella Via Lattea  

QUI l'articolo pubblicato il 19/9/2014 e, a seguire, gli eventuali commenti

 

BASTA UN 20 CM PER OSSERVARE UN BUCO NERO

(7/1/2016)

No, non sto scherzando o innescando una nuova polemica. Un nutrito gruppo internazionale di astronomi guidati da colleghi giapponesi ha fornito le prove che un buco nero relativamente vicino a noi (V404 Cygni) presenta chiare e nitide variazioni di luminosità nell’ottico che possono essere identificate attraverso un semplice telescopio da 20 cm di diametro.

Qualcosa che molti astrofili possiedono e che, spesso, “sprecano” per vedere le solite caratteristiche planetarie che servono a ben poco. Da domani potranno rivolgerlo verso la stella doppia del Cigno e seguire in diretta il pasto del buco nero che sta sbranando la compagna. Non pensate a uno scherzo… il lavoro originale non è certo una “bufala”, essendo stato pubblicato nientemeno che su Nature.

In poche parole, l’emissione nei raggi X e gamma, considerate la carta d’identità di un buco nero che sta cibandosi della compagna molto generosa, è accompagnata da variazioni nell’ottico. Probabilmente queste variazioni non provengono dalle parti più interne del disco di accrescimento, ma è sempre un qualcosa di straordinario.

Il caso di V404 Cygni è emblematico. Dopo 26 anni di sonno profondo, si è risvegliato e ha cominciato a emettere fasci di alta energia. Il mostro ha ripreso il suo banchetto a scapito della compagna, generando il ben noto disco di accrescimento, in cui la temperatura sale sempre di più, avvicinandosi all’orizzonte degli eventi, emettendo nell’X. Si parla di almeno dieci milioni di gradi centigradi!

Tuttavia, le osservazioni di livello veramente elementare (nel visibile) hanno mostrato variazioni di luminosità del tutto compatibili con quelle X. La correlazione è indiscutibile.

In qualche modo, l’emissione di raggi X in materiale estremamente caldo si propaga agli strati esterni del disco che riescono a emettere a lunghezze d’onda maggiori, meno energetiche e con tempi scala più lenti. L’occhio umano PUO’, così, vedere l’energia emessa tramite un buco nero. Beh… vedere quelle piccole variazioni e sapere che provengono dal digrignare dei denti del più potente signore del Cosmo, deve essere un’emozione anche per i più tecnologici e freddi astrofili “da sigle e da oculari”.  Il risultato è stato confermato e avvalorato da osservazioni eseguite in zone diverse del globo terrestre.

Con queste osservazioni si può anche fare Scienza vera (ma questo forse interessa meno). Le variazioni luminose ottiche non sembrano legate all’entità dell’accrescimento di massa ma alla lunghezza del periodo orbitale. Insomma, non solo emozione, ma anche collaborazione fattiva.

Il filmato che segue mostra ciò che moltissimi astrofili potrebbero osservare

Articolo originale QUI

P.S.: Su Papalla la tecnica è usata da tantissimo tempo, con grande divertimento e soddisfazione dei papallastrofili.

QUI l'articolo pubblicato il 7/1/2016 e, a seguire, gli eventuali commenti

 

QUANDO I BUCHI NERI SONO VERAMENTE NERI

(29/6/2016)

Sembra di essere tornati a molti anni fa, quando si diceva: “L’idea dei buchi neri è affascinante… peccato che non si possano vedere e quindi confermare!”. Poi le cose sono cambiate, grazie soprattutto ai buchi neri galattici. Sì, ma quelli stellari…?

I buchi neri dovrebbero essere neri per definizione. Tuttavia, la loro massa rimane e così anche la deformazione spaziotemporale che li circonda. Senza pensare ai buchi neri galattici, che si mettono in evidenza grazie al disco di materia che aspetta il proprio turno per essere “ingoiato”, i getti che si lanciano dai poli e le orbite delle stelle più audaci che gli girano attorno, rivolgiamoci a quelli più semplici e sicuramente molto numerosi (le stelle devono evolvere!): i buchi neri stellari.

La loro massa è relativamente piccola (poche masse solari e non milioni o miliardi) e sperare che la luce di una stella più lontana venga deviata dal loro campo gravitazionale, secondo la  relatività generale, è un colpo di fortuna più unico che raro. Oltretutto, se la stella esplosa non mostra più i segni della nebulosa che è scappata verso l’esterno andando a inseminare la galassia di cui fa parte, si ha di fronte proprio un buco nero totalmente nero. C’è da sperare che mangi qualcosa e formi il suo disco e/o magari si decida a mandare i suoi getti. Insomma, dobbiamo ammettere che il vecchio problema di scoprire un buco nero stellare non è cosa semplice.

Forse, proprio per le difficoltà intrinseche osservative, la ricerca di questi non ha avuto l’appoggio di idee veramente innovative.

Tuttavia, la maggior parte delle stelle sono doppie e se una delle due diventa nana bianca può innescarsi il celebre e altruistico movimento di materia dalla stella ancora “normale” verso la compagna piccola, ma affamata. Si può facilmente arrivare al superamento della massa critica e la nana bianca si trasforma in stella di neutroni o in un buco nero.  Un’occasione ghiotta, ma quante compagne rimangono “in loco” per mostrare con la propria orbita che stanno girando attorno a qualcosa che non si vede ma c’è? (A proposito, vi siete mai chiesti cosa succederebbe all’orbita della Terra se il Sole diventasse un buco nero? Niente di niente…). E vederle rivolvere non è certo facile. L’ideale sarebbe che le compagne rimaste continuassero a fornire cibo al buco nero. Sì, è possibile, ma su scale di massa così “piccole” ci vuole altro che l’astronomia ottica.

E, allora, ecco che si deve sperare in un colpo di fortuna, capace di innescare un nuovo interesse e probabilmente una strategia operativa non veramente difficile (almeno teoricamente).

Guardando verso il bellissimo ammasso globulare M15 è da decenni che si è notata una sorgente radio piuttosto brillante, VLA J2130+12. Nessun problema… le conosciamo bene. Essa è “quasi” sicuramente una galassia lontana che emette nel radio.

In un modo o nell’altro, comunque, la sorgente è stata recentemente studiata da un gruppo di telescopi niente male, come quello di Arecibo, l’EVN (European Very Long Baseline Interferometry Network) e quello di NSF's Green Bank.

Accidenti! non è una galassia lontana, ma una sorgente ben più vicina che dista solo 4200 anni luce da noi, molto meno di M15. Non resta che chiedere l’aiuto a Chandra, mago dei raggi X. Detto fatto: anche quando non vede niente, Chandra risolve sempre un problema. Pochissimi raggi X, mentre nel radio la luminosità è immutata.

Non ci vogliono molti calcoli per stabilire che, sotto queste condizioni, l’oggetto misterioso può essere solo un buco nero, che sta mangiando in modo quasi impercettibile da una compagna piccola, invisibile, ma ancora altruista come pochi. La massa del buco nero non supera qualche massa solare. Un buco nero piccolo e veramente elusivo, se non fosse per la sua compagna sempre fedele (ma come possiamo scoprire un buco nero che vive da solo? Per ora è impossibile, ma un recente studio teorico apre la strada ad una interessante possibilità…)

Si potrebbe dire: “Che colpo di fortuna!” (ma anche i colpi di fortuna come, per esempio, questo, questo, questo e questo sono necessari per fare Scienza). Tuttavia, ora non è più facile chiudere gli occhi, anche se solo nel radio. La nostra galassia deve essere piena di buchi neri, dato che ha posseduto moltissime stelle giganti in tempi passati. Non resta che cercare almeno quelli che hanno questa strana anomalia: forte mormorio radio e debolissima luce X. Solo una punta dell’iceberg, ma è meglio che niente per cominciare a pensare in grande.

I primi calcoli statistici ci dicono che di buchi neri “quieti” o quasi quieti potrebbero esisterne milioni nella nostra Via Lattea. E potrebbero anche essercene ben più vicini a noi…

Diciamolo molto piano, però… Se questa news arriva alle orecchie dei media siamo finiti: altro che Nemesis o pianeta killer, ci prospetterebbero frotte di buchi neri vagabondi in rotta di collisione con il nostro Sistema Solare. Silenzio, mi raccomando! Comunque, sembra proprio che esistano e sono buchi neri veramente neri (altra massa che si aggiunge…).

Articolo originale QUI

QUI l'articolo pubblicato il 29/6/2016e, a seguire, gli eventuali commenti

 

L'ESILIO DI UN BUCO NERO

(3/11/2016)

Li chiamano i "mostri" dell’Universo, hanno una potenza impressionante, divorano materia e informazione, ma possono anche rimanere soli, affamati e tristi nell’infinito teatro dell’Universo. Anche i più forti possono soffrire di un’eterna solitudine.

Sappiamo che quasi ogni galassia ha nel suo cuore più interno, protetto da miliardi di stelle e di nubi di gas e polveri, il suo padrone incontrastato, un buco nero con una massa che va da milioni a miliardi di volte quella del Sole (della loro importanza abbiamo parlato QUI e QUI). Un padrone insostituibile che agisce come motore e regolatore del suo enorme regno, un padrone lungimirante e severo, a volte anche prepotente. Quando ha fame non si cura di ciò che lo circonda e si nutre di gas e di stelle senza chiedere permesso, come questo, ma, a volte, è anche capace di mettersi a dieta

Sappiamo che deve mangiare se vuole continuare nel suo insostituibile lavoro, ma il modo con cui lo fa incute paura e soggezione in tutta la sua galassia. Un suo gesto può decidere il sonno o il risveglio del suo regno e, a volte, la paura, per noi umani, potrebbe trasformarsi in rabbia e rancore. E’ il destino di chi sa prendere le sue responsabilità e deve andare dritto senza farsi commuovere più di tanto.

Ce li possiamo immaginare, quindi, come eroi quasi invincibili, capaci di affrontare ogni battaglia, come quelle che li vedono primattori negli scontri tra regni simili. Dopo tante schermaglie mareali, sono loro che si affrontano a singolar tenzone, senza alcun timore reciproco. Miliardi di stelle stanno in attesa degli eventi. Guerre cosmiche però… guerre incruente che si concludono normalmente con paci durature, con il solo scopo di migliorare l'intero impero dell’Universo, dove tutti sono re e pedine allo stesso tempo.

Non è facile per noi uomini capire l’essenza stessa di questi signori che mostrano lati terrificanti e teneri nello stesso tempo. Veri governanti democratici? Può darsi, ma chi di noi ne ha mai conosciuto uno qui, su questo sassolino sporco, intriso d’acqua?

Pochi umani sanno, però, cosa può succedere veramente a qualcuno di questi ingordi e invincibili dominatori del Cosmo. Non tutte le battaglie finiscono in una pace generale. A volte le forze in campo sono troppo diverse e la galassia più grande, quasi senza accorgersene, passa e va, strappando tutta la materia a quella più piccola. Una cosa normale nell’Universo che porta, in fondo, alla creazione di un regno sempre più grande.

Che succede, però al buco nero, padrone e signore della più piccola? Come già detto, spesso e volentieri si unisce al più potente e ci regala perfino le onde gravitazionali, ma altre volte la fine è ben più triste e solitaria.

Un destino che preferisce non mostrare e vivere in perfetta solitudine. Un esilio silenzioso e oscuro che passa del tutto inosservato. Non facciamoci, però, commuovere più di tanto: se qualcosa capita nell’Universo deve avere una sua ragione ed è solo la nostra visione troppo soggettiva a essere emotivamente scossa.

Un  esilio mai veramente visto in precedenza, che il VLBA è riuscito a cogliere in un momento critico e di cui ha immaginato il futuro.

Una piccola galassia è stata inglobata in una ben più grande e massiccia. Niente di strano, ma il signore della più piccola ha continuato la sua corsa, a più di 3000 km/sec, restando solo con un piccolo disco di accrescimento, una piccola e limitata razione di cibo. Magari si trascina anche un po' di stelle come corteo... ma stelle che si spegneranno e non porteranno nuova vita. Nella sua folle corsa si trascina ancora gas ionizzato, quasi fosse una coda di materia che non ha ancora deciso cosa fare.

Poi tutto tacerà e, lentamente, il grande signore rimarrà solo senza più materia attorno o, al limite, invisibile come lui. Un buco nero potentissimo, ma del tutto invisibile, perso nel vuoto cosmico (che, a quanto pare, sarebbe anche disseminato di miliardi di buchi neri stellari, come abbiamo visto QUI e QUI). Chissà quanti ce ne sono come lui…

No, non rattristiamoci più di tanto, prima o poi troverà qualcuno o qualcosa e, forse, riuscirà a ricrearsi un regno. Oppure si abituerà al lungo riposo (dopo tanta fatica, una bella pensione…). Noi non lo sappiamo, ma l’Universo sicuramente sì…

Penso che non vi sia nemmeno bisogno di tradurre questa triste (forse) avventura in linguaggio scientifico (la potete trovare un po’ ovunque). Noi sappiamo leggere benissimo le emozioni dei nostri piccoli e grandi attori dell’immenso teatro del Cosmo e comprenderne le reazioni.

Articolo originale QUI

QUI l'articolo pubblicato il 3/11/2016 e, a seguire, gli eventuali commenti

 

SENZA CIBO CI SI NASCONDE MEGLIO, MA NON SEMPRE

(9/2/2017)

Parliamo ancora di buchi neri, ma non di quelli galattici e nemmeno di quelli stellari. Qualcosa che sta nel mezzo e che continua a mettere in crisi gli astrofisici. Meno male che ci sono anche le galassie-non galassie.

E’ ormai piuttosto facile (si fa per dire) scoprire buchi neri all’interno della nostra galassia (QUI un riepilogo dei metodi usati), soprattutto se sono accompagnati da una stella normale che gli fornisce cibo in continuità. Non parliamo poi di quelli giganteschi che stanno nel cuore delle galassie, capaci di mangiarsi intere stelle e di dar luogo a fenomeni tra i più energetici dell’Universo (ne abbiamo proprio parlato ieri per un buco nero che segue le regole dello slow food).

Tuttavia, rimane il grande problema dei buchi neri intermedi quelli con masse comprese tra le centinaia e le migliaia di volte quella del Sole. Quelli galattici sono decisamente più massicci (milioni o miliardi di volte la massa solare), quelli stellari molto meno massicci (poche masse solari). Quelli intermedi dovrebbero rappresentare l’anello mancante tra i due estremi: buchi neri stellari che si sono rimpinzati a sufficienza per diventare oggetti di classe superiore e magari raggiungere i limiti necessari per diventare padroni delle galassie.  Conosciamo già quanto sia importante questo anello mancante, dato che potrebbe risolvere la grande incertezza sui buchi neri primordiali. Si sono formati in modo diretto, attraverso la concentrazione di materia, o sono cresciuti attraverso il cibo raccolto nei dintorni?

Più che guardare nelle piccole galassie (a volte con buchi neri spropositati) si è cercato in qualcosa che sta a metà strada tra ammasso stellare appena creatosi e una vera e propria galassia ormai adulta. Stiamo parlando degli ammassi globulari. Antichissime concentrazioni di stelle (centinaia di migliaia o anche milioni) che hanno voluto vivere da soli, in modo indipendente e, ovviamente, che hanno finito abbastanza in fretta il materiale per costruire nuovi giovani astri.

Un insieme di stelle vecchie che ogni tanto riescono a trovare un guizzo di gioventù attraverso le vagabonde blu, ma che soffrono di una mancanza quasi assoluta del gas necessario per la creazione di nuove stelle. Piccole e vecchie nane o residui di esplosioni, una popolazione veramente anziana, con età che si aggirano intorno ai 12-13 miliardi di anni (più o meno come la mamma di tutte le stelle).

Chissà se al loro interno si potrebbero trovare i buchi neri intermedi? La situazione sarebbe ideale. All’inizio avrebbero fatto come quelli galattici (sempre che si siano formati ingoiando materia un po’ alla volta), cibandosi di stelle troppo audaci o del gas che ancora abbondava tra stella e stella. Poi il cibo sarebbe finito e la crescita con lui. Un vero e proprio blocco che potrebbe comprovare una costruzione per gradi.

Tuttavia, il fatto di non mangiare più, li rende particolarmente “invisibili”. Nessun getto energetico tipico dei pasti abbondanti e quindi nessun segno di esistenza. Inoltre, gli ammassi globulari sono decisamente zeppi di stelle ed è molto difficile districarsi tra i loro movimenti estremamente complessi dove ogni oggetto è legato a tutti gli altri. Sono, inoltre, così densi che è praticamente impossibile seguire il moto delle stelle più vicine al centro. Una vera e propria coperta capace di nascondere ciò che capita nella profondità.

Ci voleva molta pazienza e tante simulazioni, cercando segni decisivi in quello che si riesce a vedere verso l’esterno. Sembra, finalmente, che 47 Tucanae ci abbia fatto il regalo tanto atteso. Il movimento caotico delle orbite anche a grandi distanze sembra essere in accordo con un effetto gravitazionale dovuto a una massa centrale di grandi dimensioni. Inoltre, le pulsar sono oggetti piuttosto ben riconoscibili anche in quella folla. Studiandone la distribuzione si è vista una concentrazione decisamente anomala, anche in zone esterne, in perfetto accordo con  la presenza “perturbatrice”  di una massa fuori quota.

Conclusione? 47 Tucanae, un ammasso globulare di circa 12 miliardi di anni d’età, situato a 13 000 anni luce da noi, sembra contenere un buco nero intermedio di circa 2200 masse solari. Un buco nero di tipo galattico rimasto di piccola stazza a causa della mancanza di cibo. Le sue stelle, però, pur cercando di nasconderlo non hanno potuto fare a meno di dimostrarne la  presenza. Abbiamo sicuramente violato una delle privacy più resistenti del Cosmo: trovare un buco nero che fa di tutto per non farsi vedere!

Articolo originario QUI

QUI l'articolo pubblicato il 9/2/2017 e, a seguire, gli eventuali commenti

 

VOGLIO UNA VITA SPERICOLATA

(14/3/2017)

QUI l'articolo pubblicato il 14/3/2017 e, a seguire, gli eventuali commenti

 

IL CUCCIOLO SI E' MESSO A MANGIARE

(25/5/2017)

 

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NEWS del 10/4/2019 - Ottenuta la prima prova visiva diretta di un buco nero!

NEWS del 4/9/2020 - Osservato per la prima volta "in diretta", grazie alle onde gravitazionali, un buco nero intermedio!

NEWS del 31/3/2021 - Finalmente scoperto un buco nero di "mezza taglia"

NEWS del 11/11/2021 - Grazie allo spettrografo MUSE installato sul VLT ci aspettiamo di individuare molti altri buchi neri (uno lo ha già trovato!)

NEWS del 2/12/2021 - MUSE colpisce ancora (e non solo lui!)

NEWS del 14/5/2022 - Dopo quella di M87, pubblicata l'immagine visiva di Sagittarius A*, il buco nero al centro della Via Lattea

NEWS del 14/6/2022 - Individuato (forse) il primo buco nero solitario della Via Lattea

NEWS del 6/11/2022 - GAIA e Gemini scoprono il buco nero "dormiente" più vicino alla Terra

NEWS del 28/3/2024 - Una stella suicida ci ha permesso di scoprire l'esistenza di un piccolo buco nero orbitante intorno ad un buco nero galattico!