Come il fatto che i buchi neri sono molto efficaci nell’attrarre materia circostante porta ad alcune delle più spettacolare fenomeni luminosi in tutto il cosmo

Un articolo di Andreas Müller

la Gravità risultati universale di attrazione tra tutte le masse. Una possibile conseguenza di ciò è l’accrescimento, termine generale degli astrofisici per i processi in cui un oggetto centrale massiccio raccoglie (“accreti”) materia dal suo vicinato diretto. L’accrescimento fa sì che l’oggetto centrale diventi più massiccio e quindi sempre migliore nel raccogliere la materia. Come primo passo verso la comprensione dell’accrescimento, è utile dare un’occhiata a una domanda più generale: quali sono i possibili risultati quando la materia cade verso un oggetto centrale?

Caduta della materia

Se l’oggetto centrale è un corpo solido, la materia può cadere direttamente su quel corpo e fermarsi improvvisamente. Questo sarebbe un esempio di una “barriera meccanica”: la superficie dell’oggetto centrale impedisce alla materia di cadere ulteriormente, proprio come la superficie solida della terra ci impedisce di cadere proprio nel centro del nostro pianeta. Se il corpo centrale è un buco nero, la materia può cadere direttamente verso l’orizzonte del buco nero e nel buco nero, per non essere mai più vista. In entrambi i casi, la materia prende un tuffo dritto.

Ma questa non è affatto l’unica possibilità – in realtà, è l’eccezione piuttosto che la regola. Di solito, la materia sarà in movimento anche prima che sia abbastanza vicina per l’oggetto centrale da esercitare una spinta significativa. A meno che questo movimento non sia diretto esattamente verso l’oggetto centrale – un caso speciale, e quindi molto raro – ci sarà un componente di movimento laterale, e se quel componente è abbastanza grande, la materia che cade non colpirà l’oggetto centrale, ma lo supererà.

Un possibile risultato di una tale mancanza vicina è un’orbita in cui la massa in caduta passa vicino agli oggetti centrali prima di uscire nello spazio, per non tornare mai più (orbita non legata). Un’altra è un’orbita chiusa (legata) su cui la massa cadente continua a muoversi attorno all’oggetto centrale; esempi ben noti sono i pianeti del nostro sistema solare sulle loro orbite attorno al sole.

un Altro esempio di “near miss orbita, questo un po’ più complicato, può essere visto nell’immagine di seguito – un sistema stellare binario composto da una stella gigante, mostrato a sinistra, e una compatta stella compagna, sulla destra:

La stella gigante è così grande che per alcuni la questione nella sua busta esterna, l’attrazione gravitazionale della compatta compagno è maggiore di quella del colosso della stella stessa. La materia viene tirata verso il compagno. Tuttavia, quella materia non si immerge direttamente sulla stella compagna perché ha un movimento laterale sufficiente per costruire un cosiddetto disco di accrescimento. Questo disco fatto di materiale stellare orbita attorno alla stella compagna.

Momento angolare e il destino della materia nei dischi di accrescimento

Il fatto che la materia con un movimento laterale sufficiente manchi l’oggetto centrale è dovuto a ciò che i fisici chiamano la conservazione del momento angolare. Quando un oggetto orbita attorno a una massa centrale sotto l’influenza della gravità, le leggi della meccanica fanno una dichiarazione chiara: per l’oggetto orbitante, il prodotto della sua massa, la sua distanza dal corpo centrale e la velocità con cui si muove attorno a quel corpo – questo è, per definizione, il momento angolare dell’oggetto – deve rimanere costante nel tempo. Un pianeta orbitante non può cambiare improvvisamente il suo corso e dirigersi direttamente verso il sole. Per questo, il suo momento angolare avrebbe improvvisamente dovuto saltare a zero, sfidando le leggi della fisica. (Maggiori informazioni sulla conservazione del momento angolare possono essere trovate nell’argomento Spotlight Quali pattinatori, pianeti e stelle di neutroni hanno in comune.)

Nel caso di un pianeta, la conservazione del momento angolare porta ad un’orbita regolare. Nel caso della stella binaria nella foto sopra, ha anche un ruolo da svolgere: la stella gigante nell’illustrazione sta ruotando lentamente, e così fa la materia contenuta nelle sue regioni esterne. Di conseguenza, questa materia ha un momento angolare diverso da zero. Questo momento angolare viene conservato mentre le particelle di materia cadono verso il compagno compatto per formare il disco di accrescimento.

La situazione nel disco di accrescimento è significativamente più complicata rispetto ai pianeti orbitanti. Le leggi della meccanica decretano che la somma totale dei momenti angolari di tutte le particelle di materia non può cambiare nel tempo, ma è perfettamente lecito che una particella trasferisca parti del suo momento angolare ad altre particelle. Questo è chiamato trasporto del momento angolare. Ad esempio, questo trasporto diventa importante non appena si verifica la turbolenza. La turbolenza è un fenomeno naturale nei plasmi dinamici e nei gas (così come nei fluidi). Il meccanismo più efficiente per ridistribuire il momento angolare coinvolge la materia plasmatica, in cui le diverse particelle si influenzano a vicenda tramite deboli campi magnetici. Il risultato netto è una ridistribuzione del momento angolare dall’interno alle regioni esterne del disco. Durante questo processo, la materia nelle regioni più interne riesce a gettare abbastanza momento angolare per essere in grado di cadere su (o in) l’oggetto centrale stesso. In questo modo, sempre più materia si accumula sull’oggetto centrale. Senza il trasferimento del momento angolare, questa crescita per accrescimento sarebbe impossibile.

Dischi luminosi

I collettori di materia più efficaci sono gli oggetti più compatti del cosmo: i buchi neri. Sono perfette “trappole dello spazio-tempo” – nulla che cade in un buco nero può mai sfuggire, nemmeno la luce. Pertanto, i buchi neri sono davvero neri come indica il loro nome e molto difficili da rilevare per gli astronomi. Tuttavia, la situazione cambia drasticamente una volta che un buco nero viene “alimentato” con la materia dalle sue vicinanze – allora, i buchi neri possono trasformare i loro dintorni nelle regioni più luminose e spettacolari del cosmo!

Ci sono diversi modi per i buchi neri per illuminare il loro vicinato cosmico. Alcuni richiedono circostanze molto particolari, ma uno è universale ovunque la materia cada in un buco nero: la produzione di radiazioni termiche. La materia che cade verso un oggetto centrale sotto l’influenza della gravità viene accelerata a velocità sempre più elevate, guadagnando sempre più energia cinetica. Ma una volta che una particella di materia infallibile si immerge in un disco di accrescimento – e forse prima – il movimento della particella viene disturbato. A causa di frequenti collisioni tra tutte le diverse particelle, non ci sono orbite semplici ben definite. Invece, l’intero insieme di particelle è in movimento caotico. Tale movimento caotico con vortici e instabilità – proprio come in un fluido turbolento – è comune all’interno dei dischi di accrescimento. Per definizione, il movimento microscopico disordinato delle particelle è il movimento termico e come tale direttamente correlato alla temperatura. Quando il movimento delle particelle infallenti diventa caotico, la materia nel disco di accrescimento viene riscaldata a temperature molto elevate. La temperatura massima in un disco di accrescimento attorno a un buco nero supermassiccio cento volte la massa del nostro sole sarà di circa un milione di Kelvin e per il disco attorno a un buco nero stellare, può essere fino a un fattore cento più alto. In confronto, la temperatura nel nucleo del nostro sole ammonta a circa 15 milioni di Kelvin.

In fisica, ovunque ci sia calore, c’è radiazione elettromagnetica termica. Ogni corpo emette radiazioni termiche-solo un corpo con una temperatura di zero assoluto non lo farebbe, ma tali corpi non possono esistere (maggiori informazioni sulla radiazione termica possono essere trovate nell’argomento Spotlight Calore che incontra l’occhio). All’aumentare della temperatura corporea, aumenta anche l’energia emessa sotto forma di radiazioni. La temperatura di un disco di accrescimento intorno a un buco nero è abbastanza alta per la materia del disco da emettere grandi quantità di raggi X altamente energetici.

La materia che cade verso un oggetto centrale, formando un disco di accrescimento, rappresenta un modo eminentemente efficiente per produrre radiazioni da altre forme di energia (in questo caso energia gravitazionale). È circa 30 volte più efficiente della fusione nucleare, il meccanismo di conversione dell’energia responsabile della luminosità del nostro sole e di altre stelle.

Fino ad ora, nessun astronomo è riuscito a prendere immagini dettagliate del flusso di accrescimento su un buco nero centrale – che richiederebbe una risoluzione superiore a quella che i telescopi attuali possono fornire. Invece, gli astrofisici hanno modi indiretti di testare le loro ipotesi su ciò che accade vicino a tale buco nero: dalle simulazioni al computer, possono prevedere gli spettri dei dischi di accrescimento – il modo in cui l’energia della radiazione viene distribuita tra le diverse frequenze. Questi spettri portano una chiara impronta delle condizioni locali – un forte redshift gravitazionale racconta della compattezza dell’oggetto centrale; i turni Doppler sistematici registrano come la materia si muove quasi alla velocità della luce nel disco circostante. Ogni volta che le osservazioni mostrano che la massa concentrata nella regione più interna è abbastanza alta-senza alcun oggetto luminoso visibile in quel particolare punto-c’è una forte probabilità che l’oggetto centrale sia un buco nero.

Da questo elenco di proprietà caratteristiche, gli astronomi hanno una chiara idea di cosa cercare e, a quanto pare, ci sono effettivamente oggetti nel cielo notturno con esattamente le proprietà richieste. In effetti, per un certo numero di oggetti candidati, la corrispondenza tra previsione e osservazione è piuttosto impressionante. Quindi, sembra che il nostro universo contenga buchi neri che accrescono la materia. (Maggiori informazioni sugli oggetti astronomici in questione possono essere trovate nell’argomento Spotlight Buchi neri attivi: fari cosmici ultra-caldi.)

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