Energia dai Buchi Neri

14 Giu 2021 Energia dai Buchi Neri

Secondo un nuovo studio, l’emissione ad altissima energia del lampo gamma GRB 190114C potrebbe costituire la prova osservativa della possibilità di estrarre energia da un buco nero rotante.

Pur essendo un buco nero una regione dello spazio-tempo in cui il campo gravitazionale è così intenso che nulla può sfuggirgli, la teoria della Relatività Generale prevede che l’energia rotazionale di un buco nero rotante possa essere estratta. Questo perché l’energia rotazionale del buco nero non è contenuta al suo interno, ma al di fuori dell’orizzonte degli eventi, in una zona chiamata ergosfera. Un team di astrofisici ritiene di aver trovato una prova osservativa di questo meccanismo in una straordinaria emissione di raggi gamma ad altissima energia, il lampo catalogato GRB 190114C, proveniente da quasi 5 miliardi di anni luce di distanza e rilevato dai telescopi Swift e Fermi nel Gennaio 2019. L’analisi dei dati delle osservazioni di GRB 190114C rivela l’emissione di fotoni che raggiungono le energie del teraelettronvolt (TeV).

“I lampi di raggi gamma, i fenomeni transienti più potenti in cielo, rilasciano energia fino a valori dell’ordine di 10^54 erg in pochi secondi”, afferma Remo Ruffini dell’International Center for Relativistic Astrophysics Network (ICRANet). “La loro luminosità nei raggi gamma, nell’intervallo di tempo dell’evento, è così intensa quanto la luminosità di tutte le stelle nell’Universo osservabile! Si ritiene che i lampi gamma siano alimentati, in base a un meccanismo ancora ignoto, da buchi neri di massa stellare”. L’anno scorso, Ruffini e i suoi colleghi proposero una soluzione per questo meccanismo, sulla base di un processo chiamato Binary Driven HyperNova (BdHN) o modello di ipernova binaria. Questo scenario è differente dallo schema classico, che prevede tutta l’emissione concentrata in un getto relativistico originato da un buco nero rotante e derivante dall’esplosione di una singola stella massiccia.

Lo scenario proposto dal team prevede invece un sistema binario stretto composto da due oggetti in orbita ravvicinata uno attorno all’altro: una stella al carbonio-ossigeno giunta alla fine della sua vita e una stella di neutroni, il nucleo residuo iperdenso di una stella già esplosa. Quando anche la stella al carbonio-ossigeno esplode in supernova, il materiale espulso può rapidamente venire risucchiato dalla stella di neutroni compagna. In questo modo la compagna supera la massa critica e collassa in buco nero, provocando l’emissione di un lampo di raggi gamma così come l’espulsione di getti di materiale dai suoi poli a velocità prossime a quella della luce. Il nucleo della stella a carbonio-ossigeno diventa una seconda stella di neutroni e il sistema si trasforma in una coppia buco nero-stella di neutroni.

In questo nuovo studio, i ricercatori guidati da Rahim Moradi descrivono il meccanismo che può provocare l’emissione di un lampo gamma altamente energetico: l’accelerazione di particelle lungo le linee di campo magnetico ereditato dalla stella di neutroni che ha dato origine al buco nero. Quel campo magnetico estrae energia rotazionale dall’ergosfera del buco nero. “Il motore presentato in questo nuovo studio agisce attraverso un processo che comprende Relatività Generale, gravità ed elettrodinamica: un buco nero rotante in interazione con un campo magnetico circostante crea un campo elettrico che accelera gli elettroni nell’ambiente a energie ultra-elevate, provocando radiazione ad alta energia e raggi cosmici ultraenergetici“.

I getti relativistici non sono insoliti nei nuclei galattici attivi, i centri galattici in cui risiedono buchi neri supermassicci che divorano materia. Si ritiene che simili getti abbiano origine da processi di accrescimento. Parte del materiale nel disco circostante un buco nero viene espulso e accelerato lungo linee di campo magnetico attorno alle regioni esterne del buco nero presso i poli, dove viene lanciato nello spazio sotto forma di getti collimati. Sappiamo che buchi neri e stelle di neutroni possono avere potenti campi magnetici e possono agire come un sincrotrone, accelerando particelle. Sembra che questi effetti giochino un ruolo nell’emissione di un lampo gamma durante la formazione di un buco nero.

Il team, studiando GRB 190114C, ha scoperto un meccanismo simile, ma si tratta di un processo discreto, piuttosto che di emissione continua: si ripete via via, rilasciando ogni volta energia per produrre l’emissione gamma osservata che segue il lampo gamma vero e proprio. Sul base delle osservazioni di GRB 190114C, il team ha ricostruito una possibile sequenza di eventi. La stella al carbonio-ossigeno esplode in supernova, mentre il nucleo collassa in una stella di neutroni; parte del materiale espulso in seguito all’esplosione ricade nella stella di neutroni appena formata, producendo un bagliore in banda X, come osservato dal telescopio Swift. Ma una parte del materiale ricade sulla stella di neutroni compagna, portandola oltre il limite di massa sufficiente a formare un buco nero. In seguito il materiale continua a ricadere nel buco nero di nuova formazione, producendo un lampo gamma. Infine, una quantità sempre maggiore di materiale in caduta nel buco nero ha come risultato la produzione di getti e di radiazione gamma ultraenergetica, in seguito all’estrazione di energia rotazionale. Questo scenario potrebbe non essere applicabile a tutti i lampi gamma, tuttavia è in ottimo accordo con le evidenze osservative relative a GRB 190114C. Lo studio è pubblicato su Astronomy & Astrophysics.

Nell’immagine rappresentazione artistica di un buco nero attivo
Image credit: NASA/JPL-Caltech

https://www.sciencealert.com/new-evidence-suggests-rotational-energy-can-be-extracted-from-the-event-horizon-of-a-black-hole

Related posts:

Intensa attività nel centro galattico 6 milioni di anni fa Buchi neri a gogò Un buco nero a dieta stretta Un buco nero attivo in una galassia ellittica compatta Un buco nero vagante nascosto nella Via Lattea Venti ultraveloci vicino al buco nero Buchi Neri Primordiali e Materia Oscura Scatti improvvisi di crescita per i buchi neri primordiali La Minispirale al Centro della Via Lattea Una Galassia Starbust che Promette Onde Gravitazionali La nascita dei buchi neri supermassicci primordiali Massicci buchi neri stellari annidati ai confini delle spirali Buchi Neri Supermassicci e Galassie Primordiali La Vittoria dei Buchi Neri sulle Galassie La Sfuggente Via di Mezzo dei Buchi Neri Quattro Nuove Rilevazioni di Onde Gravitazionali La Materia Mancante nei Filamenti della Rete Cosmica Buco Nero Leggero per la Galassia Nana Galassie Forgiate da Buchi Neri Il Blazar più Estremo