• Home
  • Chimica
  • Astronomia
  • Energia
  • Natura
  • Biologia
  • Fisica
  • Elettronica
  •  science >> Scienza >  >> Astronomia
    Semi di buco nero mancanti nel giardino cosmico

    La concezione di questo artista illustra uno dei più primitivi buchi neri supermassicci conosciuti (punto nero centrale) al centro di un giovane, galassia ricca di stelle. Credito:NASA/JPL-Caltech

    Nel vasto giardino dell'universo, i buchi neri più pesanti sono cresciuti dai semi. Nutriti dal gas e dalla polvere che consumavano, o fondendosi con altri oggetti densi, questi semi crebbero in grandezza e peso per formare i centri delle galassie, come la nostra Via Lattea. Ma a differenza del regno delle piante, i semi dei buchi neri giganti dovevano essere buchi neri, pure. E nessuno ha mai trovato questi semi, ancora.

    Un'idea è che i buchi neri supermassicci, l'equivalente di centinaia di migliaia o miliardi di Soli in massa, siano cresciuti da una popolazione di buchi neri più piccoli che non è mai stata vista. Questo fantomatico gruppo, i "buchi neri di massa intermedia, " peserebbe tra 100 e 100, 000 soli. Tra le centinaia di buchi neri trovati finora, ce ne sono stati molti relativamente piccoli, ma nessuno di sicuro nel "deserto" di fascia di massa intermedia.

    Gli scienziati stanno lavorando con potenti telescopi spaziali della NASA, così come altri osservatori, per rintracciare oggetti remoti che si adattano alla descrizione di queste entità esotiche. Hanno trovato dozzine di possibili candidati e stanno lavorando per confermarli come buchi neri. Ma anche se lo fanno, che apre un nuovo mistero:come si sono formati i buchi neri di massa intermedia?

    "Ciò che è affascinante, e perché le persone hanno passato così tanto tempo a cercare di trovare questi buchi neri di massa intermedia, è perché fa luce sui processi avvenuti nell'universo primordiale:quali erano le masse dei buchi neri relitti, o nuovi meccanismi di formazione di buchi neri a cui non abbiamo ancora pensato, " ha detto Fiona Harrison, professore di fisica al Caltech di Pasadena, California, e investigatore principale per la missione NuSTAR della NASA, che è gestito dal Jet Propulsion Laboratory.

    Buco nero 101

    Un buco nero è un oggetto estremamente denso nello spazio da cui nessuna luce può sfuggire. Quando il materiale cade in un buco nero, non ha via d'uscita. E più un buco nero mangia, più cresce sia in massa che in dimensione.

    I buchi neri più piccoli sono chiamati "massa stellare, " con tra 1 e 100 volte la massa del Sole. Si formano quando le stelle esplodono in processi violenti chiamati supernovae.

    Buchi neri supermassicci, d'altra parte, sono le ancore centrali delle grandi galassie, per esempio, il nostro Sole e tutte le altre stelle della Via Lattea orbitano attorno a un buco nero chiamato Sagittarius A* che pesa circa 4,1 milioni di masse solari. Un buco nero ancora più pesante, con ben 6,5 miliardi di masse solari, funge da fulcro della galassia Messier 87 (M87). Il buco nero supermassiccio di M87 appare nella famosa immagine dell'Event Horizon Telescope, che mostra per la prima volta un buco nero e la sua "ombra". Questa ombra è causata dall'orizzonte degli eventi, il punto di non ritorno del buco nero, piegando e catturando la luce con la sua forte gravità.

    I buchi neri supermassicci tendono ad avere dischi di materiale intorno a loro, chiamati "dischi di accrescimento, " fatto di estremamente caldo, particelle ad alta energia che brillano mentre si avvicinano all'orizzonte degli eventi, la regione di non ritorno del buco nero. Quelli che fanno brillare i loro dischi perché mangiano molto sono chiamati "nuclei galattici attivi".

    La densità della materia necessaria per creare un buco nero è sbalorditiva. Per fare un buco nero 50 volte la massa del Sole, dovresti impacchettare l'equivalente di 50 Soli in una palla di meno di 200 miglia (300 chilometri) di diametro. Ma nel caso del centrotavola di M87, è come se 6,5 miliardi di Soli fossero stati compressi in una palla più larga dell'orbita di Plutone. In entrambi i casi, la densità è così alta che il materiale originale deve collassare in una singolarità, uno squarcio nel tessuto dello spazio-tempo.

    La chiave del mistero delle origini dei buchi neri è il limite fisico alla velocità con cui possono crescere. Anche i mostri giganti al centro delle galassie hanno dei limiti alla loro frenesia alimentare, perché una certa quantità di materiale viene respinta dalla radiazione ad alta energia proveniente da particelle calde accelerate vicino all'orizzonte degli eventi. Semplicemente mangiando materiale circostante, un buco nero di piccola massa potrebbe essere in grado di raddoppiare la sua massa solo in 30 milioni di anni, Per esempio.

    "Se parti da una massa di 50 masse solari, semplicemente non puoi farlo crescere fino a 1 miliardo di masse solari in 1 miliardo di anni, " ha detto Igor Chilingarian, un astrofisico allo Smithsonian Astrophysical Observatory di Cambridge, Massachusetts, e Università statale di Mosca. Ma "come sappiamo, ci sono buchi neri supermassicci che esistono meno di 1 miliardo di anni dopo la formazione dell'universo".

    Come creare un buco nero che non puoi vedere

    All'inizio della storia dell'universo, il seme di un buco nero di massa intermedia potrebbe essersi formato sia dal collasso di un grande, nube di gas densa o dall'esplosione di una supernova. Le primissime stelle esplose nel nostro universo avevano idrogeno ed elio puri nei loro strati esterni, con elementi più pesanti concentrati nel nucleo. Questa è una ricetta per un buco nero molto più massiccio delle stelle moderne che esplodono, che sono "inquinati" da elementi pesanti nei loro strati esterni e quindi perdono più massa a causa dei loro venti stellari.

    "Se stiamo formando buchi neri con 100 masse solari all'inizio dell'universo, alcuni di loro dovrebbero fondersi insieme, ma fondamentalmente allora dovresti produrre un'intera gamma di masse, e poi alcuni di loro dovrebbero essere ancora in giro, " ha detto Tod Strohmayer, astrofisico presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Allora, dove sono se si sono formati?"

    Un indizio che i buchi neri di massa intermedia potrebbero ancora essere là fuori è venuto dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) della National Science Foundation. una collaborazione tra Caltech e il Massachusetts Institute of Technology. rilevatori LIGO, abbinata ad una struttura europea in Italia denominata Virgo, stanno rivelando molte diverse fusioni di buchi neri attraverso increspature nello spazio-tempo chiamate onde gravitazionali.

    Questa immagine, ripresa con il Very Large Telescope dell'Osservatorio europeo meridionale, mostra la regione centrale della galassia NGC1313. Questa galassia ospita la sorgente di raggi X ultraluminosi NCG1313X-1, che gli astronomi hanno ora determinato essere un candidato per un buco nero di massa intermedia. NGC1313 è 50, 000 anni luce di diametro e si trova a circa 14 milioni di anni luce dalla Via Lattea nella costellazione meridionale del Reticolo. Credito:ESO

    Nel 2016, LIGO ha annunciato una delle scoperte scientifiche più importanti dell'ultimo mezzo secolo:il primo rilevamento di onde gravitazionali. Nello specifico, i rilevatori con sede a Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, raccolse il segnale della fusione di due buchi neri. Le masse di questi buchi neri, 29 e 36 volte la massa del Sole, rispettivamente:scienziati sorpresi. Sebbene questi non siano ancora tecnicamente di massa intermedia, sono abbastanza grandi da alzare le sopracciglia.

    È possibile che tutti i buchi neri di massa intermedia si siano già fusi, ma anche che la tecnologia non è stata messa a punto per individuarli.

    Allora, dove sono?

    Cercare buchi neri nel deserto di massa intermedia è complicato perché i buchi neri stessi non emettono luce. Però, gli scienziati possono cercare segni rivelatori specifici utilizzando sofisticati telescopi e altri strumenti. Per esempio, perché il flusso di materia su un buco nero non è costante, l'aggregazione del materiale consumato provoca alcune variazioni nell'emissione luminosa nell'ambiente. Tali cambiamenti possono essere visti più rapidamente nei buchi neri più piccoli rispetto a quelli più grandi.

    "In un lasso di tempo di ore, puoi fare la campagna osservativa che per i classici nuclei galattici attivi richiede mesi, " disse Chilingarian.

    Il candidato più promettente per un buco nero di massa intermedia si chiama HLX-1, con una massa di circa 20, 000 volte il Sole. HLX-1 sta per "sorgente di raggi X iperluminosi 1, " e la sua produzione di energia è molto più alta delle stelle simili al Sole. È stata scoperta nel 2009 dall'astronomo australiano Sean Farrell, utilizzando il telescopio spaziale a raggi X XMM-Newton dell'Agenzia spaziale europea. Uno studio del 2012 utilizzando i telescopi spaziali Hubble e Swift della NASA ha trovato suggerimenti su un ammasso di giovani stelle blu in orbita attorno a questo oggetto. Potrebbe essere stato un tempo il centro di una galassia nana che è stata inghiottita dalla galassia più grande ESO 243-49. Molti scienziati considerano HLX-1 un comprovato buco nero di massa intermedia, disse Harrison.

    "I colori della luce a raggi X che emette, e proprio il modo in cui si comporta, è molto simile a un buco nero, "Ha detto Harrison. "Un sacco di gente, compreso il mio gruppo, avere programmi per trovare cose che assomigliano a HLX-1, ma finora nessuno è coerente. Ma la caccia continua".

    Gli oggetti meno luminosi che potrebbero essere buchi neri di massa intermedia sono chiamati sorgenti di raggi X ultraluminose, o ULX. Un ULX tremolante chiamato NGC 5408 X-1 è stato particolarmente intrigante per gli scienziati alla ricerca di buchi neri di massa intermedia. Ma gli osservatori a raggi X NuSTAR e Chandra della NASA hanno stupito gli scienziati rivelando che molti oggetti ULX non sono buchi neri. Anziché, sono pulsar, resti stellari estremamente densi che sembrano pulsare come fari.

    M82X-1, la sorgente di raggi X più brillante della galassia M82, è un altro oggetto molto luminoso che sembra tremolare su scale temporali coerenti con un buco nero di massa intermedia. Questi cambiamenti di luminosità sono legati alla massa del buco nero e sono causati dal materiale orbitante vicino alla regione interna del disco di accrescimento. Uno studio del 2014 ha esaminato variazioni specifiche nella luce dei raggi X e ha stimato che M82 X-1 ha una massa di circa 400 Soli. Gli scienziati hanno utilizzato i dati di archivio del satellite Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) della NASA per studiare queste variazioni di luminosità dei raggi X.

    Più recentemente, gli scienziati hanno studiato un gruppo più ampio di possibili buchi neri di massa intermedia. Nel 2018, Chilingarian e colleghi hanno descritto un campione di 10 candidati rianalizzando i dati ottici della Sloan Digital Sky Survey e confrontando le prospettive iniziali con i dati a raggi X di Chandra e XMM-Newton. Ora stanno seguendo i telescopi terrestri in Cile e Arizona. Mar Mezcua dell'Istituto spagnolo di scienze spaziali ha condotto uno studio separato del 2018, utilizzando anche i dati di Chandra, trovando 40 buchi neri in crescita nelle galassie nane che potrebbero trovarsi in quello speciale intervallo di massa intermedia. Ma Mezcua e i suoi collaboratori sostengono che questi buchi neri si siano formati originariamente nel collasso di nuvole giganti piuttosto che originati da esplosioni stellari.

    Qual è il prossimo

    Le galassie nane sono luoghi interessanti in cui continuare a cercare perché, in teoria, sistemi stellari più piccoli potrebbero ospitare buchi neri di massa molto inferiore a quelli trovati nei centri di galassie più grandi come la nostra.

    Gli scienziati stanno anche cercando ammassi globulari, concentrazioni sferiche di stelle situate alla periferia della Via Lattea e di altre galassie, per lo stesso motivo.

    "Potrebbe essere che ci siano buchi neri del genere, in galassie come quella, ma se non stanno accumulando molta materia, potrebbe essere difficile vederli, " ha detto Strohmayer.

    I cacciatori di buchi neri di massa intermedia attendono con impazienza il lancio del James Webb Space Telescope della NASA, che scruterà indietro agli albori delle prime galassie. Webb aiuterà gli astronomi a capire quale è venuto prima - la galassia o il suo buco nero centrale - e come quel buco nero potrebbe essere stato messo insieme. In combinazione con le osservazioni a raggi X, I dati a infrarossi di Webb saranno importanti per identificare alcuni dei più antichi candidati al buco nero.

    Un altro nuovo strumento lanciato a luglio dall'agenzia spaziale russa Roscosmos si chiama Spectrum X-Gamma, un'astronave che scruterà il cielo con i raggi X, e trasporta uno strumento con specchi sviluppato e costruito con la NASA Marshall Space Flight Center di Huntsville, Alabama. Anche le informazioni sulle onde gravitazionali che fluiscono dalla collaborazione LIGO-Virgo aiuteranno nella ricerca, così come la prevista missione Laser Interferometer Space Antenna (LISA) dell'Agenzia spaziale europea.

    Questa flotta di nuovi strumenti e tecnologie, oltre a quelli attuali, aiuterà gli astronomi mentre continuano a setacciare il giardino cosmico alla ricerca di semi di buchi neri, e galassie come la nostra.


    © Scienza https://it.scienceaq.com