Buchi Neri per Far Luce Sull'Energia Oscura

La radiazione emessa da una particolare classe di buchi neri, i cosiddetti SEAMBH (Super-Eddington accreting massive black holes), potrebbe essere utilizzata come strumento per misurare l’accelerazione dell’espansione dell’universo.

Dai protagonisti più tenebrosi dell’intero universo, neri per antonomasia, potrebbe arrivare un aiuto per affrontare l’enigma della più oscura e abbondante delle sue componenti, la misteriosa dark energy. Detta così sembra uno scherzo, ma lo studio che illustra l’ipotesi – uscito qualche settimana fa su Physical Review Letters – è più serio che mai. Gli autori, dopo aver analizzato i dati d’un campione di 60 galassie di tipo Seyfert 1, sono giunti a concludere che la quantità di radiazione emessa dai loro buchi neri supermassicci, conoscendo la massa del buco nero stesso, può rivelarsi un indicatore affidabile per calcolarne la distanza. Se l’ipotesi sarà confermata, i buchi neri potrebbero aggiungersi al già nutrito insieme d’indizi utilizzati dagli astronomi per misurare l’accelerazione dell’espansione dell’universo, e dunque per studiare l’entità che ne sarebbe responsabile: l’energia oscura.

L’esistenza di un’energia oscura la cui azione spinge l’universo a espandersi sempre più veloce è a oggi supportata dalle osservazioni di tre classi di sorgenti. Partendo dalla più estesa, c’è anzitutto la mappa della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB): le misurazioni di WMAP e più recentemente quelle di Planck – rese pubbliche nel marzo scorso – del rapporto di densità fra le sue componenti indicano che l’energia oscura costituirebbe oltre 2/3 dell’universo. Stima con la quale concordano anche gli studi sulla distribuzione delle strutture a larga scala, principalmente gli ammassi di galassie, secondo indizio della presenza di energia oscura. Last but not least, le celebri supernove di tipo Ia, candele standard naturali la cui prevedibilità in termini d’emissione luminosa consente agli scienziati di calcolare il rapporto fra il loro redshift, ovvero la velocità alla quale si allontanano da noi, e la loro distanza. Un rapporto, questo, noto come costante di Hubble, parametro chiave per lo studio dell’energia oscura.

Ebbene, ciò che il gruppo di astrofisici guidato da Jian-Min Wang>, dell’Accademia Cinese delle Scienze, ha scoperto è che, a comportarsi come candele standard, non ci sono solo le supernove Ia, ma anche una classe particolare di buchi neri. La sigla che li contraddistingue è SEAMBH, acronimo per Super-Eddington accreting massive black holes: buchi neri nei quali, spiega lo studio, la quantità di radiazione emessa dal processo di assorbimento del materiale circostante è proporzionale alla massa del buco nero stesso.

Poiché i procedimenti per stimare la massa di questi buchi neri sono ormai ampiamente collaudati, ciò che Jian-Min Wang e colleghi propongono è di inferire dalla massa la radiazione emessa, confrontandola poi con l’intensità della radiazione che osserviamo per calcolare la distanza del buco nero. Ottenendo così misure indipendenti da quelle derivate dal redshift, e dunque utili ai fini del calcolo dell’accelerazione dell’espansione dell’universo. Un metodo, insomma, in tutto e per tutto analogo e complementare a quello che ha portato alla ribalta le osservazioni delle supernove Ia, protagoniste del Nobel per la Fisica del 2011.

A cura di Marco Malaspina

Foto in Alto
Rappresentazione di una galassia Gamma-ray Narrow-Line Seyfert 1. Crediti: Luigi Foschini, INAF-OA Brera

Fonte:
http://www.media.inaf.it/2013/04/23/buchi-neri-energia-oscura/

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I Flash Dallo Scontro Dei Buchi Neri

Secondo la relativita di Einstein, ogni volta che degli oggetti massicci interagiscono tra loro, avverrebbe la produzione di onde gravitazionali, le cosiddette distorsioni nel tessuto dello spazio e del tempo, che si propagano verso l'Universo alla velocità della luce. Mentre gli astronomi hanno trovato prove indirette di questi disturbi, le onde hanno finora eluso il rilevamento diretto. Gli osservatori a terra progettati per trovarli sono sul punto di ottenere una maggiore sensibilità e molti scienziati pensano che questa scoperta sia ormai imminente.

Quando i buchi neri della massa di milioni di Soli si scontrano tra di essi, producono onde gravitazionali ondulate che si propagano così lentamente che non sono rivelabili con strutture terrestri. Gli scienziati avranno bisogno di strumentazione più potente come l'Antenna Spaziale a interferometria laser, che è una priorità per la comunità astronomica.

Un team che include gli astrofisici del NASA Goddard Space Flight Center di Greenbelt, nel Maryland, sta attendendo quel giorno, utilizzando dei modelli computazionali per esplorare le fusioni di super buchi neri.
Il loro più recente lavoro indaga sul tipo di "flash" che potrebbe essere visto dai telescopi prodotto da un evento del genere.

Lo studio delle onde gravitazionali darà agli astrofisici un'opportunità senza precedenti per testimoniare i fenomeni più estremi dell'Universo, portando a una nuova comprensione delle leggi fondamentali della fisica, come la morte delle stelle, la nascita dei buchi neri e forse, i primi momenti dell'Universo.

Un buco nero è un oggetto così grande che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire alla sua attrazione gravitazionale.
La maggior parte delle grandi galassie, compresa la nostra Via Lattea, contengono un buco nero centrale che milioni di volte la massa del Sole e quando due galassie si scontrano, i loro buchi neri diventano un sistema binario vicino.

"I buchi neri quando orbitano uno intorno all'altro perdono energia orbitale attraverso l'emissione di forti onde gravitazionali e questo fa sì che le loro orbite si riducono. I buchi neri innescano una spirale uno verso l'altro e alla fine si fondono", ha detto l'astrofisico John Goddard Baker.
Vicino a queste masse titaniche in movimento, lo spazio e il tempo diventano flessibili e si deformano. Il disturbo forma delle increspature come sulla superficie di uno stagno, spingendo le onde sismiche che si propagano in tutto l'Universo.
Mentre le onde gravitazionali promettono di svelare agli astronomi molte cose sui corpi che le hanno create, non possono fornire un'informazione fondamentale sulla posizione esatta della fonte. Quindi, per capire veramente un evento di fusione tra buchi neri, i ricercatori hanno bisogno di un segnale elettromagnetico di accompagnamento, un lampo di luce, che va dalle onde radio ai raggi X, che permetterà di individuare con i telescopi la galassia ospite della fusione.

Comprendere le controparti elettromagnetiche che possono accompagnare la concentrazione dei buchi neri, rappresenta il difficile compito di monitoraggio delle complesse interazioni con i dischi di gas caldo e magnetizzato che li circondano e che possono orbitare fino a oltre la metà della velocità della luce.

Dal 2010, numerosi studi che utilizzano ipotesi semplificatrici hanno scoperto che la fusione potrebbe produrre un lampo di luce, senza conoscere come questo si sia verificato, o se l'emissione fosse stata abbastanza forte da essere rilevabile dalla Terra.
Per esplorare il problema in modo più dettagliato, un team guidato da Bruno Giacomazzo presso l'Università del Colorado, Boulder, ha compreso grazie alle simulazioni al computer Baker ciò che accade nel gas magnetizzato (chiamato anche plasma) nelle ultime fasi di una fusione con il buco nero.
Il loro studio è stato pubblicato nell'edizione del 10 giugno del Astrophysical Journal Letters.

Le simulazioni riportano le complesse interazioni elettriche e magnetiche nel gas ionizzato, noto come magnetoidrodinamica, nell'estremo ambiente ambiente gravitazionale determinato dalle equazioni della relatività generale di Einstein, un compito che richiede l'uso di avanzati codici numerici e velocissimi supercomputer.

Entrambe le simulazioni riportate nello studio, sono state eseguite sul supercomputer Pleiades del NASA Ames Research Center di Moffett Field, in California.

Ulteriori simulazioni sono state eseguite sui supercomputer Ranger e Discover, rispettivamente presso l'Università del Texas, Austin, e il Centro NASA per simulazioni climatiche a Goddard, al fine di valutare gli effetti in diverse condizioni iniziali, con un minor numero di orbite e altre varianti.

"Quello che colpisce nella simulazione magnetica è che il campo magnetico iniziale del disco si è rapidamente intensificato di circa 100 volte e il buco nero risultante dalla fusione è circondato da un più caldo, più denso e più sottile disco di accrescimento che nel caso non fosse non magnetizzato".
ha spiegato Giacomazzo.

Nell'ambiente turbolento in prossimità dei buchi neri, il campo magnetico si intensifica quando diventa contorto e compresso e gli studiosi suggeriscono che la simulazione di ulteriori orbite comporterebbe un'amplificazione ancora maggiore.
Il risultato più interessante della simulazione magnetica è lo sviluppo di una struttura ad imbuto, con una zona che si estende fuori dal disco di accrescimento in prossimità del buco nero.
"Questo è esattamente il tipo di struttura necessaria per guidare i getti di particelle che vediamo dai centri di galassie attive con un buco nero attivo", ha detto Giacomazzo.

L'aspetto più importante di questo studio è la luminosità del flash della fusione. Il team ritiene che il modello magnetico produce emissioni con getti a vista che sono circa 10.000 volte più luminosi rispetto a quelli osservati negli studi precedenti, che hanno esemplificato ed ignorare gli effetti di plasma nei dischi di fusione.
"Abbiamo bisogno di onde gravitazionali per confermare che una fusione tra buchi neri si sia realmente verificata" ha detto Baker .

Foto in Alto:
(Credit: NASA's Goddard Space Flight Center; P. Cowperthwaite, University of Maryland)

Traduzione A Cura Di Arthur McPaul

Fonte:
http://www.sciencedaily.com/releases/2012/09/120927153118.htm