03 Ott 2018 Nuova Luce sullo Scontro tra Buchi Neri Supermassicci
Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo modello per individuare i segnali di luce prodotti da uno degli incontri più sensazionali del cosmo: la fusione di due buchi neri supermassicci. La simulazione, che incorpora gli effetti previsti dalla Relatività Generale, dimostra che il gas nel corso del titanico scontro dovrebbe brillare principalmente nell’ultravioletto e in banda X. Lo studio è appena pubblicato su The Astrophysical Journal.
I buchi neri supermassicci si annidano nel cuore di grandi galassie, inclusa la Via Lattea, e possono avere una massa milioni o miliardi di volte quella del Sole. Quando due galassie si fondono i loro buchi neri supermassicci migrano verso il centro della galassia derivante dalla fusione. Gli scienziati ritengono che i buchi neri supermassicci a quel punto si avvicinino uno all’altro e si fondano. Questo evento colossale produce intense onde gravitazionali. “Sappiamo che le galassie con buchi neri supermassicci si fondono frequentemente nell’universo, ma vediamo solo una piccola frazione di galassie con due buchi neri al loro centro”, spiega Scott Noble del Goddard Space Flight Center della NASA. “Le coppie che osserviamo non emettono forti segnali di onde gravitazionali perché i buchi neri sono troppo lontani uno dall’altro. Il nostro scopo è identificare, con l’ausilio della luce, coppie più ravvicinate da cui in futuro potrebbero essere rilevati segnali di onde gravitazionali”.
Gli scienziati hanno individuato fusioni di buchi neri di massa stellare, con masse tra tre e varie decine di masse solari, utilizzando gli interferometri LIGO e Virgo. Ma, nonostante la loro intensità, le onde gravitazionali derivanti da buchi neri supermassicci sono al di fuori delle lunghezze d’onda attualmente osservabili da simili strumenti. La caccia a questo tipo di onde gravitazionali attuapmente coinvolge le pulsar, oggetti in rapidissima rotazione che emettono impulsi radio estremamente regolari. Quando passano onde gravitazionali il ritmo delle pulsar cambia lievemente. Questi cambiamenti sono monitorati da progetti di rilevamento delle pulsar, ma finora non è stato individuato nessun segnale significativo.
Tuttavia buchi neri supermassicci binari prossimi alla collisione potrebbero presentare una caratteristica che manca ai buchi neri stellari: un ambiente circostante ricco di gas e nubi di polveri. Secondo gli scienziati una collisione tra galassie fa sì che gran parte del materiale che gravita attorno a ognuno dei due buchi centrali precipiti verso di essi, che lo consumano su un tempo scala simile a quello necessario per la fusione della coppia. Quando i buchi neri si avvicinano tra loro, le forze magnetiche e gravitazionali riscaldano il gas rimanente, producendo luce che gli astronomi dovrebbero essere in grado di osservare. “Modellare questi eventi richiede sofisticati strumenti computazionali che includono tutti gli effetti fisici prodotti da due buchi neri supermassicci in orbita uno attorno all’altro a una frazione della velocità della luce. Sapere quali segnali di luce aspettarsi da questi eventi aiuterà a identificarli con le moderne osservazioni”, spiega Manuela Campanelli del Rochester Institute of Technology a New York.
La nuova simulazione, visibile qui https://svs.gsfc.nasa.gov/13043 , mostra tre orbite di una coppia di buchi neri supermassicci a 40 orbite dalla fusione. Il modello rivela che la luce emessa a questo stadio del processo potrebbe essere dominata da radiazione ultravioletta insieme a raggi X ad alta energia. Tre regioni di gas che emette luce brillano man mano che i buchi neri si fondono, tutte connesse da flussi di gas caldo: un grande anello che circonda l’intero sistema, chiamato disco circumbinario, e due anelli più piccoli circostanti ciascun buco nero, chiamati minidischi. Tutti questi oggetti emettono prevalentemente luce ultravioletta. Quando il gas fluisce in un minidisco a tasso elevato, la luce ultravioletta del disco interagisce con la corona di ciascun buco nero, una regione di particelle ad alta energia al di sopra e al di sotto del disco. Questa interazione produce radiazione X. Quando il tasso di accrescimento diminuisce, cala l’intensità della luce ultravioletta rispetto ai raggi X. Sulla base delle simulazioni i ricercatori si aspettano che i raggi X emessi da una quasi-fusione saranno più brillanti e più variabili rispetto a quelli osservabili da buchi neri supermassicci singoli in fase di accrescimento.
“Abbiamo bisogno di scovare segnali nella luce emessa dai dintorni di buchi neri supermassicci binari, segnali abbastanza particolare da permettere agli astronomi di scoprire questi rari sistemi tra la folla di segnali derivanti da buchi neri supermassicci singoli”, conclude Julian Krolik, tra gli autori dello studio. Una rilevazione di successo potrebbe fornire agli astrofisici una migliore comprensione dei fenomeni in atto nel cuore delle fusioni galattiche e garantire nuova strada per lo studio della fisica fondamentale, non accessibile in altre maniere. Il numero dei buchi neri supermassicci binari individuati potrebbe inoltre fornirci una stima della frequenza delle fusioni galattiche e quindi dell’evoluzione dell’Universo nel corso del tempo.
[ Barbara Bubbi ]
Nell’immagine un’istantanea della simulazione raffigurante buchi neri supermassicci in fusione
Credit NASA’s Goddard Space Flight Center
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