Buco nero supermassiccio

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In alto: rappresentazione artistica di un buco nero supermassiccio che assorbe materia da una stella vicina. In basso: immagini che si pensa mostrino un buco nero supermassiccio che divora una stella nella galassia RXJ 1242-11. A sinistra: immagine ai raggi X. A destra: immagine ottica.[1]

Un buco nero supermassiccio (o supermassivo) è il più grande tipo di buco nero, con una massa milioni o miliardi di volte superiore a quella del Sole. Si ritiene che quasi tutte le galassie, inclusa la nostra Via Lattea,[2] contengano un buco nero supermassiccio al loro centro.[3][4]

Caratteristiche[modifica | modifica wikitesto]

I buchi neri supermassicci hanno alcune interessanti proprietà che li distinguono dai loro simili di minori dimensioni:

  • la densità media (intesa come il rapporto tra massa del buco nero e volume racchiuso entro l'orizzonte degli eventi) di un buco nero supermassiccio può essere uguale (per buchi neri di 1,81x108 masse solari) o anche inferiore a quella dell'acqua (per buchi neri di massa maggiore di 1,81x108 masse solari).[5] Infatti, tenendo conto che il raggio di Schwarzschild di un buco nero aumenta linearmente con la massa e che il volume di un oggetto sferico, come l'orizzonte degli eventi di un buco nero non rotante, è proporzionale al cubo del suo raggio, la densità del buco nero è di conseguenza inversamente proporzionale al quadrato della sua massa; di conseguenza, la densità di un buco nero cala velocemente all'aumentare delle sue dimensioni, e quindi i buchi neri supermassicci hanno densità più basse di quelli più piccoli.
  • le grandi forze di marea tipiche dei piccoli buchi neri sono molto deboli in prossimità dell'orizzonte degli eventi: poiché la singolarità gravitazionale è così lontana dall'orizzonte, un ipotetico astronauta che viaggiasse verso il centro del buco nero non sperimenterebbe forze di marea significative prima di arrivare molto all'interno del buco.

Formazione[modifica | modifica wikitesto]

Sono stati ipotizzati vari modelli per spiegare la formazione di buchi neri di queste dimensioni. La prima e più ovvia è per accrezione lenta e graduale di materia a partire da un buco nero di grandezza stellare.

Un secondo modello considera una grande nube di gas che collassa in una stella relativistica di dimensioni pari a centinaia di masse solari o anche più.[6] Questa stella risulterebbe presto instabile alle perturbazioni radiali a causa della produzione di coppie elettrone-positrone nel suo nucleo e potrebbe quindi collassare in un buco nero senza esplodere in una supernova, che altrimenti emetterebbe gran parte della massa impedendole così di lasciare come residuo un buco nero supermassiccio.

Un altro modello considera un denso ammasso stellare che va incontro a collasso perché la capacità termica negativa del sistema porta la dispersione delle velocità verso valori relativistici.[7]
Come ulteriore ipotesi, si può pensare all'evoluzione di un buco nero primordiale prodottosi in seguito alla pressione esterna nei primi istanti dopo il Big Bang.

Le difficoltà nella formazione di un buco nero supermassiccio risiedono nell'enorme quantità di materia, dotata di un basso momento angolare, che deve venire condensata in un volume ristretto. Normalmente, il processo di accrezione coinvolge la cessione verso l'esterno di una quantità di momento angolare e questo sembra essere un fattore limitante alla formazione buco nero con la tendenza a favorire invece la formazione del disco di accrescimento.

In base alle nostre conoscenze attuali, sembra esserci una lacuna nella distribuzione della massa dei buchi neri. Ci sono infatti buchi neri generati dal collasso di una stella che hanno masse fino a 33 volte quella solare. Il valore minimo per un buco supermassiccio è invece dell'ordine delle centinaia di migliaia di masse solari e pertanto sembra che ci sia una carenza di buchi neri di massa intermedia. Questa lacuna sembra suggerire un processo di formazione differente, anche se alcuni autori[8]ritengono che le sorgenti ultraluminose a raggi X (ULX= UltraLuminous X-ray source) potrebbero corrispondere in realtà a questi oggetti di massa intermedia.

Diffusione[modifica | modifica wikitesto]

Si pensa che molte, se non tutte, galassie ospitino un buco nero supermassiccio nel loro centro. Le misure doppler della velocità della materia (sia stellare che gassosa) presente al centro delle galassie vicine hanno rivelato dei moti di rotazione molto veloci, possibili solo con una grande concentrazione di materia al centro. Al momento, l'unico oggetto conosciuto che può concentrare abbastanza materia in uno spazio così piccolo è un buco nero. Nelle galassie attive più lontane si sospetta che la larghezza delle linee spettrali sia correlata con la massa del buco nero centrale.

Una spettacolare evidenza riguardante la presenza di uno di questi buchi neri di massa estremamente grande al centro della nostra galassia è stata recentemente ottenuta seguendo direttamente l'orbita ellittica di una stella, dal cui periodo si può misurare la massa del presunto buco nero con precisione estrema.

Tali buchi neri supermassicci posti al centro di molte galassie sono sospettati di essere il "motore" di galassie attive come le galassie di Seyfert e i quasar.

Tali buchi neri possono tuttavia svolgere un ruolo rilevante nella dinamica dei sistemi galattici anche in molti altri casi, come mostra la recente scoperta di una correlazione tra la massa del buco nero centrale e la dispersione di velocità delle stelle nel bulge di numerose galassie a spirale.

Visione artistica di un buco nero supermassiccio al centro di una galassia

Nella Via Lattea[modifica | modifica wikitesto]

Orbite desunte di sei stelle attorno all'ipotizzato buco nero supermassiccio in direzione di Sagittarius A*, al centro della Via Lattea.[9]

Gli astronomi ritengono che anche la nostra Galassia contenga al suo centro un buco nero supermassiccio, in direzione della radiosorgente Sagittarius A*, a 26.000 anni luce dal sistema solare[10] in quanto:

  • La stella S2 segue un'orbita ellittica con un periodo di 15,56 ± 0,35 anni ad una distanza media di 134,6 UA (17 ore-luce).[11]
  • Dal moto di S2, la massa dell'oggetto viene stimata in 4,1 milioni di masse solari.[12]
  • Il raggio dell'oggetto centrale deve ovviamente essere inferiore a 17 ore luce, altrimenti S2 entrerebbe in collisione o ne verrebbe lacerata dalle forze di marea. Misure recenti[13] indicano che il raggio dell'oggetto non sia superiore a 6,25 ore luce, cioè all'incirca l'orbita di Urano.
  • Solo un buco nero ha una densità sufficiente per stivare 4,1 milioni di masse solari in un tale volume di spazio. Il Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics e l'UCLA Galactic Center Group[14] hanno fornito la più forte evidenza che Sagittarius A* sia la sede di un buco nero supermassiccio,[10] basandosi sui dati dell'ESO[15] e dei telescopi Keck.[16] La massa calcolata risulta appunto di 4,1 milioni di masse solari,[17] pari a circa 8,2 × 1036 kg.

Al di fuori della nostra Galassia[modifica | modifica wikitesto]

È ormai ritenuto molto probabile che al centro della maggior parte delle galassie si trovi un buco nero supermassiccio.[18][19] La stretta correlazione tra la massa del buco nero e la dispersione delle velocità nel bulge galattico, nota come relazione M-sigma,[20] suggerisce che la formazione della galassia e del buco nero al suo centro siano tra loro collegate,[18] anche se una spiegazione dettagliata della correlazione tra i due eventi non è ancora stata fornita. Si ritiene che il buco nero e la sua galassia ospitante si siano sviluppati assieme nel periodo compreso tra 300 e 800 milioni di anni dopo il Big Bang, passando attraverso la fase di quasar e le sue caratteristiche correlate, anche se i modelli proposti differiscono sul fatto che sia stato il buco nero a innescare la formazione della galassia o viceversa; ma anche una formazione sequenziale dei due oggetti non è esclusa. La natura ancora sconosciuta della materia oscura è una variabile cruciale in tutti questi modelli.[21][22]

La vicina Galassia di Andromeda, situata a 2,5 milioni di anni luce da noi, ospita al suo centro un buco nero avente una massa di (1,1–2,3) × 108 masse solari, cioè ben più grande della nostra Via Lattea.[23] Il più grande buco nero supermassiccio nelle nostre vicinanze sembra essere quello di M87, stimato in (6,4 ± 0,5) × 109 masse solari e situato alla distanza di 53,5 milioni di anni luce.[24][25]

Sembra che alcune galassie, come la galassia 0402+379, abbiano due buchi neri al centro che interagiscono tra loro in modo da formare un sistema binario, che si ritiene sia il risultato della fusione di due galassie.[26] In caso di collisione essi potrebbero dar luogo a forti onde gravitazionali. Il sistema binario in OJ 287 contiene uno tra i buchi neri più massicci conosciuti, con una massa stimata in 19 miliardi di masse solari.[27]

Un buco nero supermassiccio è stato scoperto recentemente nella galassia nana Henize 2-10, che è priva del rigonfiamento centrale. Le precise implicazioni di questa scoperta sulla formazione dei buchi non sono ancora del tutto chiarite, ma potrebbero indicare che i buchi neri si formino prima del bulge.[28]

Il 28 marzo 2011 è stata osservata per la prima volta la lacerazione di una stella di dimensioni medie da parte di un supposto buco nero. O almeno, questa è la spiegazione che gli astronomi ritengono più probabile per descrivere questa improvvisa emissione di raggi X.[29]

Nella cultura di massa[modifica | modifica wikitesto]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Chandra :: Photo Album :: RX J1242-11 :: 18 Feb 04
  2. ^ R. Schödel, et al., A star in a 15.2-year orbit around the supermassive black hole at the centre of the Milky Way in Nature, vol. 419, nº 6908, 2002, pp. 694–696, arXiv:astro-ph/0210426, Bibcode:2002Natur.419..694S, DOI:10.1038/nature01121, PMID 12384690.
  3. ^ R. Antonucci, Unified Models for Active Galactic Nuclei and Quasars in Annual Reviews in Astronomy and Astrophysics, vol. 31, nº 1, 1993, pp. 473–521, Bibcode:1993ARA&A..31..473A, DOI:10.1146/annurev.aa.31.090193.002353.
  4. ^ C. Urry e P. Padovani, Unified Schemes for Radio-Loud Active Galactic Nuclei in Publications of the Astronomical Society of the Pacific, vol. 107, 1995, pp. 803–845, arXiv:astro-ph/9506063, Bibcode:1995PASP..107..803U, DOI:10.1086/133630.
  5. ^ A. Celotti, J.C. Miller e D.W. Sciama, Astrophysical evidence for the existence of black holes in Class. Quant. Grav., vol. 16, 12A, 1999, pp. A3–A21, arXiv:astro-ph/9912186, DOI:10.1088/0264-9381/16/12A/301.
  6. ^ M. C. Begelman, et al., Formation of supermassive black holes by direct collapse in pre-galactic haloes in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 370, nº 1, giugno 2006, pp. 289–298, arXiv:astro-ph/0602363, Bibcode:2006MNRAS.370..289B, DOI:10.1111/j.1365-2966.2006.10467.x.
  7. ^ L. Spitzer, Dynamical Evolution of Globular Clusters, Princeton University Press, 1987, ISBN 0-691-08309-6.
  8. ^ L.M. Winter, et al., XMM-Newton Archival Study of the ULX Population in Nearby Galaxies in Astrophysical Journal, vol. 649, nº 2, ottobre 2006, pp. 730–752, arXiv:astro-ph/0512480, Bibcode:2006ApJ...649..730W, DOI:10.1086/506579.
  9. ^ "SINFONI in the Galactic Center: Young Stars and Infrared Flares in the Central Light-Month" by Eisenhauer et al, The Astrophysical Journal, 628:246-259, 2005
  10. ^ a b Mark Henderson, Astronomers confirm black hole at the heart of the Milky Way (London), Times Online, 9 dicembre 2008. URL consultato il 17 maggio 2009.
  11. ^ R. Schödel, et. al., A star in a 15.2-year orbit around the supermassive black hole at the centre of the Milky Way in Nature, vol. 419, nº 6908, 17 ottobre 2002, pp. 694–696, arXiv:astro-ph/0210426, Bibcode:2002Natur.419..694S, DOI:10.1038/nature01121, PMID 12384690.
  12. ^ Ghez, A. M., et al., Measuring Distance and Properties of the Milky Way's Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits in Astrophysical Journal, vol. 689, nº 2, dicembre 2008, pp. 1044–1062, arXiv:astro-ph/0808.2870, Bibcode:2008ApJ...689.1044G, DOI:10.1086/592738.
  13. ^ A. M. Ghez, Salim, S.; Hornstein, S. D.; Tanner, A.; Lu, J. R.; Morris, M.; Becklin, E. E.; Duchêne, G., Stellar Orbits around the Galactic Center Black Hole in The Astrophysical Journal, vol. 620, nº 2, maggio 2005, pp. 744–757, arXiv:astro-ph/0306130, Bibcode:2005ApJ...620..744G, DOI:10.1086/427175.
  14. ^ UCLA Galactic Center Group
  15. ^ ESO - 2002
  16. ^ W. M. Keck Observatory
  17. ^ Milky Way's Central Monster Measured - News from Sky & Telescope - SkyandTelescope.com
  18. ^ a b Andrew King, Black Holes, Galaxy Formation, and the MBH-σ Relation in The Astrophysical Journal Letters, vol. 596, 15 settembre 2003, pp. L27–L29, arXiv:astro-ph/0308342, Bibcode:2003ApJ...596L..27K, DOI:10.1086/379143.
  19. ^ D. et al. Richstone, Massive Black Holes Dwell in Most Galaxies, According to Hubble Census, 189th Meeting of the American Astronomical Society, 13 gennaio 1997. URL consultato il 17 maggio 2009.
  20. ^ D. Merritt e Laura Ferrarese, The MBH-σ Relation for Supermassive Black Holes in The Astrophysical Journal, vol. 547, nº 1, The American Astronomical Society., 15 gennaio 2001, pp. 547:140–145, arXiv:astro-ph/0008310, Bibcode:2001ApJ...547..140M, DOI:10.1086/318372.
  21. ^ Robert Roy Britt, The New History of Black Holes: 'Co-evolution' Dramatically Alters Dark Reputation, 29 luglio 2003.
  22. ^ Astronomers crack cosmic chicken-or-egg dilemma, 22 luglio 2003.
  23. ^ Ralf Bender, et al., HST STIS Spectroscopy of the Triple Nucleus of M31: Two Nested Disks in Keplerian Rotation around a Supermassive Black Hole in The Astrophysical Journal, vol. 631, nº 1, 20 settembre 2005, pp. 280–300, arXiv:astro-ph/0509839, Bibcode:2005ApJ...631..280B, DOI:10.1086/432434.
  24. ^ Gebhardt, Karl; Thomas, Jens, The Black Hole Mass, Stellar Mass-to-Light Ratio, and Dark Halo in M87 in The Astrophysical Journal, vol. 700, nº 2, agosto 2009, pp. 1690–1701, Bibcode:2009ApJ...700.1690G, DOI:10.1088/0004-637X/700/2/1690.
  25. ^ Macchetto, F.; Marconi, A.; Axon, D. J.; Capetti, A.; Sparks, W.; Crane, P., The Supermassive Black Hole of M87 and the Kinematics of Its Associated Gaseous Disk in Astrophysical Journal, vol. 489, nº 2, novembre 1997, p. 579, arXiv:astro-ph/9706252, Bibcode:1997ApJ...489..579M, DOI:10.1086/304823.
  26. ^ D. Merritt and M. Milosavljevic (2005). "Massive Black Hole Binary Evolution." http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2005-8/
  27. ^ David Shiga, Biggest black hole in the cosmos discovered, NewScientist.com news service, 10 gennaio 2008.
  28. ^ Rachel Kaufman, Huge Black Hole Found in Dwarf Galaxy in National Geographic, 10 gennaio 2011. URL consultato il 1º giugno 2011.
  29. ^ Astronomers catch first glimpse of star being consumed by black hole in The Sydney Morning Herald, 26 agosto 2011.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]