Come fanno i raggi X a sfuggire a un buco nero?

Nulla può allontanarsi da un buco nero, compresi i raggi X. I raggi X ad alta energia collegati ai buchi neri non sono veramente emessi dal buco. 

In realtà il materiale nelle vicinanze di questi oggetti densi e compatti è sottoposto a forze gravitazionali estremamente elevate. La turbolenza e l'attrito che ne risultano riscaldano il materiale fino a milioni di gradi, dando luogo a fortissime emissioni di raggi X è impossibile osservare direttamente i buchi neri perché neppure la luce ne sfugge. Ma la radiazione ai raggi X è una prova convincente della loro esistenza perché niente altro crea delle quantità così immani di energia.

Raggi X: come fanno a sfuggire
ai buchi neri

Dal momento che le particelle cariche accelerate emettono radiazione elettromagnetica, diverrebbe possibile intercettare la presenza di un buco nero dalla radiazione emessa dal gas ionizzato in caduta verso la singolarità (prima che il gas abbia attraversato il raggio di Schwarzschild). Durante questo processo, il gas emette una grande quantità di energia, special modo sotto forma di raggi X (a temperature di alcuni milioni di gradi il gas emette radiazione nella banda X). Visto che la caduta di materiale nel buco nero succede raramente, la presenza di una potente sorgente a raggi X variabile, potrebbe celare un buco nero. La meccanica afferma, come nello spazio vuoto fluttuazione statistiche di energia generino la formazione di coppie particella-antiparticella virtuali; tale fenomeno appare pure nei paraggi dell’orizzonte degli eventi di un buco nero.

Accade qualche volta che una di queste due particelle, sia creata dentro l’orizzonte degli eventi mentre l’altra all'esterno di tale orizzonte: a questo punto quella che precipita nel buco nero diviene un’antiparticella reale e si annienta dentro il buco nero stesso, mentre l’altra si trasforma in una particella reale, sfuggendo al buco nero, assumendo la forma emessa dallo stesso (si ha un apparente fenomeno di emissione). Moderne e recenti teorie forniscono spiegazioni a tale fenomeno, come pure riguardo ai buchi neri vadano incontro ad una fine denominata “evaporazione”. Aumentando la massa la aumenta e quindi anche l’irraggiamento. Il tutto è un processo autoalimentante che porta il buco nero ad evaporare in un tempo caratteristico che è inferiore alla vita dell’universo solo per buchi neri di piccola massa. 

Si calcola che durante l'ultimo secondo della vita un buco nero, splenderebbe come una piccola stella emettendo l’ultimo guizzo di luce sotto forma di raggi gamma.(astrofiliasti.altervista.org)

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Nube di gas | Dilaniata da un buco nero

Come era stato già annunciato dall'articolo pubblicato sul numero di Luglio 2013 di BBC Science World, una vasta nube di gas e polvere è stata "azzannata" da un buco nero supermassiccio al centro della nostra Galassia. 

La nube ha subito un allungamento per l'effetto della forza gravitazionale del buco nero, fornendo agli scienziati un punto di osservazione privilegiato per approfondire questo misterioso fenomeno. Grazie al Very Large Telescope dell'ESO (Osservatorio Europeo Astrale), gli astronomi hanno seguito la progressione della nube verso il buco nero Sagittarius A*.

"La nube, come uno sventurato astronauta in un film di fantascienza, si è deformata al punto da diventare filiforme", dice Stefan Gillessen dell'Istituto Max Planck di Fisica Extraterrestre, in Germania, che ha diretto l'equipe di osservatori. La nube, sgranandosi, diventa meno visibile perché la sua emissione luminosa si indebolisce. Ma il team è stato comunque in grado di misurare la velocità dell'oggetto celeste i servando la regione circostante il buco nero, e analizzando, con il VLT posizionato nel deserto cileno di Atacama, un'esposizione della durata di oltre 20 ore. La testa della nube, dopo aver superato la zona di massima attrazione gravitazionale, sta tornando verso di noi a una velocità superiore ai 10 milioni di km/h.

L"'incontro ravvicinato" avverrà però in tempi tutt'altro che brevi. "La nube si è talmente allungata da rendere il suo approssimarsi un processo diffuso, prevedibile nel corso di almeno un anno, piuttosto che un evento puntuale", spiega Gillessen. Gli astronomi stanno attualmente osservando gli eventi che si svolgono in prossimità del sistema, nella speranza di poter esaminare regioni prossime al buco nero mai studiate prima.

Tenteranno inoltre di approfondire gli effetti di forze gravitazionali elevatissime (Sagittarius A* ha una massa pari a quattro milioni di volte quella del Sole).(science)

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Buchi neri | Quanto pesano quelli supermassivi?

Buco nero supermassiccio

Si pensa che molte, se non addirittura tutte le galassie abbiano dei buchi neri "supermassìcci" al loro centro.

Una controversia circonda la loro origine, ma si ritiene che in qualche modo una quantità colossale di materia sia finita in uno spazio così piccolo da collassare su se stessa formando un buco nero. Gli astronomi possono stimare la massa dei buchi neri cercando stelle e altri corpi caldi e incandescenti vicini al centro delle galassie, e misurandone velocità e distanza dal centro. Quando queste informazioni sono inserite entro determinate formule derivanti dalla legge di gravità, esse indicano se le velocità sono tali da poter essere spiegate solo dall'orbita intorno a un buco nero gigante.

Nel caso della nostra Via Lattea, sono state individuate stelle che si muovono a velocità sbalorditive di diversi milioni di chilometri all'ora, su orbite solo poche migliaia di volte più grandi di quella della Terra intorno al Sole. La legge di gravità dimostra che ciò è possibile solo se le stelle stanno orbitando intorno a un oggetto con una massa circa quattro milioni di volte quella del Sole: in altre parole, un buco nero supermassiccio. 

Di recente, gli astronomi hanno anche dimostrato che un uso raffinato di questa stessa idea può rivelare non solo la massa dei buchi neri, ma anche il loro tasso di rotazione.(science)

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Il telescopio per i buchi neri

Un telescopio grande come la Terra ci avvicinerà a Sagittarius A* come mai prima d'ora. Un'occasione imperdibile per gli astronomi! 

È impossibile osservare l'interno di un buco nero. Ma gli astronomi puntano a fare del loro meglio, costruendo un telescopio che possa ingrandire i dettagli dei suoi dintorni in un modo mai visto. L'obiettivo è di creare uno strumento tanto potente da poter osservare che cosa accade all'orizzonte degli eventi, il punto al di là del quale nulla, che siano stelle, una nube di polvere o persino la luce, può sfuggire.

Dovrebbe avere una risoluzione maggiore di tutti i telescopi che osserveranno l'imminente collisione tra una nube di gas e il buco nero Sagittarius A*. L'Event Horizon Telescope (EHT) non sarà un nuovo osservatorio a sé stante costruito su qualche montagna remota. Il consorzio che lo sta progettando intende invece unire le capacità dei radiotelescopi già esistenti in tutto il mondo, facendo in modo che funzionino collettivamente con il potere risolvente di un singolo osservatorio grande come il nostro Pianeta. Questo potere permetterà agli astronomi di vedere dettagli come l'anello di luce emesso dalla materia che è riuscita a evitare di essere attratta nel buco nero.

Venti osservatori in tutto il mondo hanno accettato di far parte di questa schiera di telescopi che potrebbe cominciare a operare già nel 2015. Oltre a Sagittarius A*, un altro obiettivo sarà un'enorme galassia ellittica chiamata M87 che si trova a 53 milioni di anni luce di distanza. Ospita un buco nero centrale molto più grande, circa sei miliardi di volte la massa del Sole.(science)

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G2 incontra Sagittarius A | Effetti di un'incontro con un buco nero

"Una cosa che inizialmente aveva una forma a palla finirà con rallungarsi a forma di spaghetto". Anche la nube di gas è un'incognita: la sua composizione è tutto'ora misteriosa.

Ma la parte gassosa sarà per lo più idrogeno e gli astronomi sanno che l'intera nube di gas vaga nello spazio a una temperatura di forse 10.000°C, quasi il doppio della superficie del Sole. L'astrofisico Stephen D. Murray, del Lawrence Livermore National Laboratory in California, ritiene che la nube possa essere il risultato di una sorta di "rutto" cosmico, in cui una stella perse parte dello strato esterno dell'atmosfera.

Ma le cose non sono chiare. "Altrimenti è difficile capire come si possa essere tenuto insieme qualcosa di cosi piccolo, con una scarsa gravità. E una coincidenza incredibile che una stella emetta qualcosa del genere cosi vicino a un buco nero, e quindi è un modo splendido per seguire che cosa accade a un oggetto da quelle parti". Murray fa parte di un gruppo di ricerca che sta tentando di prevedere come si svolgerà l'incontro ravvicinato tra la nube di gas e Sagittarius A. Hanno creato un modello tridimensionale dell'incontro usando la potenza di calcolo del supercomputer Palmetto della Clemson University ad Anderson, in South Carolina. Le simulazioni dei ricercatori, che hanno richiesto più di
50mila ore di calcolo su 3mila processori, mostrano che il punto di massimo avvicinamento della nube al buco nero si avrà probabilmente questa estate o all'inizio dell'autunno.

Sagittarius A

Il segno dell'incontro sarà il calore liberato dalla nube di gasa via via che disperde energia avvicinandosi a Sagittarius A, attratta sempre più dalla sua gravità. Questo rilascio di energia sarà individuabile dai radiotelescopi e da quelli a raggi X sulla Terra, nonchè dai satelliti. Ma non sarà una collisione frontale. Inzialmente la nube supererà Sagittarius A passando a distanza pari a 200 volte quella tra la Terra ed il Sole. Ma questo non impedirà alla gravità del buco nero di sconvolgerla. "Ci saranno anche altri effetti", aggiunge Murray.

"Passando attraverso tutto il gas al centro della Galassia, la nube comincerà a incresparsi come le onde sulla superficie del mare in un giorno ventoso. Ed entreranno in gioco varie altre instabilità. Quindi finirà sia allungata che strappata. Alla fine avrà proseguito l'orbita al di là del buco nero e probabilmente non avrà più una struttura coerente". Disgregandosi, buona parte della nube si unirà al disco di accrescimento attorno a Sagittarius A, o si limiterà a cadere nel buco nero stesso.(science)

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Buchi neri nel tempo

Il progresso della nostra conoscenza di questi strani fenomeni.

Nel 1783 il grande scienziato britannico e pastore anglicano John Mitchell ipotizzò che alcune stelle possano essere cosi dense che la luce non può sfuggire alla loro attrazione gravitazionale. Non è l'idea fondamentale di che cos'è un buco nero? Si.

 Albert Einstein

Nel 1915 Albert Einstein mostra che la gravità è una deformazione dello spazio-tempo provocata dalla materia. In campo astronomico ciò significa che se la gravità è sufficientemente forte è possibile un buco nero e che qualcosa può collassare al punto che nulla, neppure la luce, ne può sfuggire.

 Maarten Schmdit 

L'astronomo Maarten Schmdit nel 1963 scopre che un oggetto lontano, una quasar, è una galassia che trae energia da un buco nero supermassiccio al suo centro.

John Wheeler

Nel 1967 il fisico John Wheeler conia il termine "buco nero", affermando che "lo spazio può essere appallottolato come un pezzo di carta fino fino a divenire un punto infinitesimale".

Stephen Hawking 

Siamo giunti nel 1974, quando il fisico britannico Stephen Hawking dichiara che un buco nero può emettere una forma di radiazione che porta in definitiva alla sua evaporazione.

Nube di gas G2

2013, la nube di gas G2 si avvicina troppo al buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia, Sagittarius A: l'incontro permetterà osservazioni senza precedenti delle "abitudini alimentari dei buchi neri".(science)

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Il famelico buco nero

Presto un flusso occasionale  di gas e polvere verrà risucchiato nel buco nero al centro della nostra galassia, La Via Lattea.

Fin'ora nessuno ha mai assistito in dettaglio a un incontro simile, e quindi, nessuno sa di preciso che cosa accadrà. Per questo è una prospettiva tanto affascinante per astronomi. I buchi neri, gli oggetti più enigmatici dell'Universo, si formano quando una stella collassa. Al loro interno cessano di esistere lo spazio e il tempo come li conosciamo. Li dentro la gravità è cosi forte che nulla ne può sfuggire, neppure la luce, perciò gli astronomi non li possono osservare direttamente: la loro sinistra presenza si rivela grazie agli effetti della loro gravità sui movimenti delle stelle vicine.

Forse non capiremo mai completamente ciò che succede dentro i buchi neri: d'altra parte, entrarci sarebbe un viaggio di sola andata, ma possiamo sperare di afferrare meglio che cosa accade tutto attorno. I buchi neri aumentano di massa ingoiando materia: a volte stelle intere, ma più spesso nubi di gas e polvere. E la collisione tra la nube di gas e il buco nero al centro della nostra Galassia, Sagittarius A, è un'occasione ideale per osservare una di queste abbuffate frenetiche. Ad appena 26mila anni luce dalla Terra, cioè 254 miliardi di chilometri, Sagittarius A è l'unico buco nero super massiccio abbastanza vicino da potere essere osservato in dettaglio. Gli astronomi avranno quindi un posto in prima fila per collisione imminente.

Nube di gas quando
verrà risucchiata dal buco nero
Sagittarius A

UNA SCOPERTA CASUALE

E' un'occasione incredibile, ma gli astronomi stavano per mancarla. La nube di gas che, senza molta fantasia, si chiama G2, è stata individuata solo nel 2011 e nella sua scoperta ha avuto un ruolo importante la fortuna. "Come succede spesso nella scienza è stata in parte una scoperta casuale", speiga Stefan Gillessendel del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physic in Germania, che dirigeva il gruppo di ricerca che ha individuato la nube. I suoi ricercatori  esaminavano immagini scattate nove anni prima usando il Very Large Telescope europeo in Cile, osservando la luminosità visibile attorno a Sagittarius A. La luminosità è provocata dall'attrito nel gas e nella polvere in orbita attorno al buco nero nel "disco di accrescimento". "Avevamo deciso di confrontare i dati di cui disponevamo di vari anni e abbiamo notato che c'era qualcosa di fioco ma visibile che andava in direzione del buco nero", racconta Gillessen. "Questo qualcosa è rimasto tranquillo tra i dati spettroscopici fin dal 2002. Poi abbiamo rilevato che l'oggetto era più grande nel 2011 rispetto al 2004. Si era allungato in un'orbita ellittica attorno al buco nero". Questo allungamento mostra che la nube di gas già risente dell'effetto della significativa gravità del buco nero.

Che cosa accadrà ora, però, è una domanda da un milione di dollari. Con una massa quattro milioni di volte quella del Sole, Sagittarius A è un mostro, un cosiddetto buco nero "super massiccio". In realtà, fenomeni divoratori della materia come questo si trovano al centro di molte galassie. Le cosiddette galassie attive, quelle che emettono molta luce, possiedono buchi neri con masse anche miliardi di volte quella del Sole. Sagittarius A si è formato miliardi di anni fa, forse quando alcune stelle con massa enorme collassarono alla fine della loro esistenza unendosi in un singolo oggetto immane.(science)

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Buchi neri | Quanta energia erogano dentro una galassia?

Buchi neri! Quanta energia erogano dentro una galassia?
Più di quanto ci si potesse immaginare! Stando ad uno studio eseguito dai ricercatori dell’International Centre for Radio Astronomy Research in Australia e pubblicato su Science i buchi neri emanano molta più energia di quanto ci si potesse immaginare.

Nel momento in cui i buchi neri aumentano la loro massa, rilasciano energia sotto forma di flussi di radiazioni. In base ad una teoria della fisica denominata il limite di Eddington, se la radiazione in uscita è maggiore di una determinata soglia, essa stessa potrebbe bloccare il flusso di gas in ingresso che alimenta il buco nero. Ad oggi però, non era del tutto chiaro se anche l’energia cinetica prodotta dal vento di radiazione potesse essere gestita dallo stesso limite.

Buco nero

Al fine di fare chiarezza sulla questione, Roberto Soria e il suo team della Curtin University hanno studiato la radiazione emessa da un buco nero nella galassia M83, nota anche come Galassia Girandola del Sud, una galassia a spirale intermedia visibile nella costellazione dell’Idra e distante circa 15 milioni di anni luce. Gli scienziati hanno osservato il buco nero con vari telescopi per più di un anno e hanno analizzato i gas in accrescimento attorno ad esso. In tal modo, essi sono riusciti a misurare indirettamente il peso dell’oggetto: meno di 100 volte il peso del Sole.

Mettendo a confronto la massa del buco nero con la sua energia cinetica uscente, stimata osservando nelle lunghezze d’onda dell’infrarosso e delle onde radio la luminosità che lo circonda i ricercatori hanno trovato che l’energia era più alta di quella prevista dal limite di Eddington per un buco nero di questa massa.
I risultati mostrano quindi che i buchi neri possono rilasciare potenza cinetica per lungo tempo, inserendo nel loro ambienti più energia di quella che si otterrebbe considerando solo l’energia di radiazione, che rimane invece soggetta al limite di Eddington.

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"M 101 ULX-1" misterioso buco nero...ma non troppo!

Il misterioso corpo celeste identificato con il complesso nome di "M 101 ULX-1" altro non è che una  sorgente di raggi X ultraluminosa (ULX) distante circa 22 milioni di anni luce dala nostro sistema solare. Ad oggi la sorgente in questione aveva tutti i presupposti e le caratteristiche di un sistema che faceva da culla ad un buco nero di massa intermedia, ma le più recenti osservazioni riportate ora in uno studio che è stato pubblicato sulla rivista scientifica Nature, fanno cambiare idea in tal senso, dimostrando che in realtà sia molto più piccolo e sopratutto leggero, pur possedendo enormi quantità di polvere e gas da esso inghiottite.

“M 101 ULX-1 ha un comportamento alquanto elegante” cosi si è espresso Stephen Justham, che fa parte del team di ricercatori a capo dello studio, “buchi neri così leggeri devono divorare materia a un ritmo estremamente veloce, vicino al limite teoretico per mantenere l’output energetico osservato.

 "M 101 ULX-1"

Pensavamo che quando i buchi neri più piccoli si spingevano a questi limiti non sarebbero riusciti a continuare ad assorbire materia in modo così ordinato, credevamo che avrebbero avuto un comportamento molto più complesso. Apparentemente ci sbagliavamo”.

Secondo la teoria ci sono solo due possibile spiegazioni per gli ULX che hanno di fatto luminosità maggiori di qualsiasi altri processo stellare conosciuto: essi possono contenere o dei buchi neri di massa intermedia (ossia buchi neri con masse tra le 100 e le 1000 volte quella del Sole), o buchi neri con massa stellare che emettono radiazioni a un ritmo più elevato.

Nel primo caso, l’oggetto emette raggi X definiti soft dagli scienziati, nel secondo caso le radiazioni emesse sono dette hard. Alla sua scoperta, M 101 ULX-1 mostrava una luminosità di 3 x 1039 erg al secondo ed aveva uno spettro di emissione soft, consistente con la prima delle ipotesi,quella di un buco nero di massa intermedia. Ciò nonostante, Ji-Feng Liu della Chinese Academy of Sciences, e i suoi colleghi astronomi hanno effettuato delle misure della velocità radiale (ossia la velocità di un oggetto nella direzione della linea di vista) che hanno mostrato come la sorgente in questione debba contenere un buco nero assai più piccolo, con una massa compresa tra le 5 e le 30 volte la massa del Sole.

I ricercatori sono anche stati in grado di confermare che il sistema contiene una stella di Wolf-Rayet: un tipo di stella estremamente calda e massiccia, che emette potenti venti stellari. E sono proprio i venti stellari, finora considerati troppo inefficienti, che secondo gli astronomi, risolvono l’arcano e alimentano il buco nero, giustificando le sue dimensioni ridotte. “Studiare oggetti come M101 ULX-1 in galassie lontane ci dà la possibilità di osservare campioni di oggetti estremamente diversi nel nostro universo” ha commentato Joel Bregman, co-autore dello studio, “è incredibile avere la tecnologia necessaria per osservare una stella che orbita intorno a un buco nero in una galassia così lontana da noi”.

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La ricostruzione virtuale di un lampo gamma | Video

Ricostruire virtualmente un lampo gamma, registrato il 27 aprile scorso da diversi telescopi spaziali e a terra. Il più violento e il più lungo mai osservato, con una potenza di 94 GeV (gigaelettronvolt, miliardi di elettronvolt), quaranta miliardi di volte l'energia della radiazione luminosa, per 20 ore consecutive. I telescopi spaziali Femri, Swift e NuStar hanno inviato i dati a terra ed è subito partita la caccia al "urlo" di questo buco nero, originato dalla fine di una stella a 3,8 miliardi di anni luce da noi.

Raggio Gamma

L'enorme esplosione viene originata dal collasso della stella, che rilascia una quantità immane di energia. Questi lampi sono frequenti nell'universo ma rari da osservare, soprattutto alla luce visibile. La notevole mole di dati derivati dalle osservazioni di questo fenomeno ha dato il via una serie di studi, quattro articoli pubblicati oggi sulle riviste Science online e The Astrophysical Journal al quale hanno collaborato anche studiosi italiani dell'Inaf. Alessandro Maselli, post-doc dell’IASF di Palermo è il primo autore dello studio su Science coordinato dal team italiano di Swift.

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