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Osservate per la prima volta le pulsazioni (quasi) periodiche di un buco nero

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An X-ray view of the active black hole at the core of distant galaxy GSN 069, about 250 million light years away, based on data from ESA’s XMM-Newton X-ray observatory. The upper part of the animation shows the actual observations, and the graph in the lower part shows variations of the X-ray brightness of the source relative to its ‘dormant’ level. This animation is based on nearly 40 hours of observations of this source, which undergoes never-before-seen flashes – dubbed ‘quasi-periodic eruptions’, or QPEs – every nine hours. The sequence has been speeded up for illustration purposes; each frame corresponds to about three minutes of actual XMM-Newton exposure time. These flares were first detected on 24 December 2018, when the source was observed to suddenly increase its brightness by up to a factor 100, then dimmed back to its normal levels within one hour and lit up again nine hours later. Although never before observed, scientists think periodic flares like these might actually be quite common in the Universe. Copyright ESA/XMM-Newton; G. Miniutti & M. Giustini (CAB, CSIC-INTA, Spain)

Il telescopio spaziale a raggi X dell’ESA XMM-Newton ha rilevato bagliori periodici, mai visti prima, delle radiazioni provenienti da una galassia lontana che potrebbero aiutare a spiegare alcuni comportamenti enigmatici dei buchi neri attivi.

XMM-Newton, il più potente osservatorio di raggi X, ha scoperto alcuni misteriosi lampi dal buco nero attivo nel cuore della galassia GSN 069, a circa 250 milioni di anni luce di distanza da noi. Il 24 dicembre 2018, la fonte è stata vista aumentare improvvisamente la sua luminosità fino a un fattore 100, quindi è tornata ai suoi livelli normali entro un’ora e si è riaccesa nove ore dopo.

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“È stato del tutto inaspettato”, afferma Giovanni Miniutti, del Centro de Astrobiología di Madrid, in Spagna, autore principale di un nuovo documento pubblicato recentemente sulla rivista Nature.

“I buchi neri giganti tremolano regolarmente come una candela, ma i rapidi e ripetuti cambiamenti visti in GSN 069 da dicembre in poi sono qualcosa di completamente nuovo.”

Il ritmo del buco nero

Ulteriori osservazioni, eseguite con XMM-Newton e l’osservatorio a raggi X Chandra della NASA nei due mesi seguenti, hanno confermato che il buco nero distante manteneva ancora il tempo, emettendo esplosioni quasi periodiche di raggi X ogni nove ore. I ricercatori chiamano il nuovo fenomeno “eruzioni

“L’emissione di raggi X proviene da materiale che si sta accumulando nel buco nero e si riscalda nel processo”, spiega Giovanni.

“Esistono vari meccanismi nel disco di accrescimento che potrebbero dare origine a questo tipo di segnale quasi periodico, potenzialmente collegato alle instabilità nel flusso di accrescimento vicino al buco nero centrale.

“In alternativa, le eruzioni potrebbero essere dovute all’interazione del materiale del disco con un secondo corpo – un altro buco nero o forse il residuo di una stella precedentemente interrotta dal buco nero.”

Sebbene non siano mai stati osservati prima, Giovanni e colleghi pensano che eventi periodici come questi possano effettivamente essere abbastanza comuni nell’Universo.

Le dimensioni del buco nero

È possibile che il fenomeno non fosse stato identificato prima perché la maggior parte dei buchi neri ai nuclei delle galassie distanti, con masse da milioni a miliardi di volte la massa del nostro Sole, sono molto più grandi di quella in GSN 069, che è solo circa 400.000 volte più massiccio del nostro Sole.

Più grande e massiccio è il buco nero, più lente possono essere le fluttuazioni di luminosità che può mostrare, quindi un tipico buco nero supermassiccio scoppierebbe non ogni nove ore, ma ogni pochi mesi o anni. Ciò renderebbe improbabile il rilevamento poiché le osservazioni raramente si estendono per periodi così lunghi.

E c’è di più. Eruzioni quasi periodiche come quelle che si trovano in GSN 069 potrebbero fornire un quadro naturale per interpretare alcuni schemi enigmatici osservati in una frazione significativa di buchi neri attivi, la cui luminosità sembra variare troppo velocemente per essere facilmente spiegata dagli attuali modelli teorici.

“Conosciamo molti enormi buchi neri la cui luminosità aumenta o diminuisce di molto in pochi giorni o mesi, mentre ci aspetteremmo che vari a un ritmo molto più lento”, afferma Giovanni.

“Ma se una parte di questa variabilità corrisponde alle fasi di ascesa o decadimento di eruzioni simili a quelle scoperte in GSN 069, allora la rapida variabilità di questi sistemi, che sembra attualmente irrealizzabile, potrebbe essere naturalmente spiegata. Nuovi dati e ulteriori studi diranno se questa analogia è davvero valida. ”

Le eruzioni quasi periodiche

Le eruzioni quasi periodiche individuate in GSN 069 potrebbero anche spiegare un’altra proprietà intrigante osservata nell’emissione di raggi X da quasi tutti i buchi neri supermassicci: il cosiddetto “eccesso in eccesso”. Consiste nell’emissione potenziata a basse energie di raggi X e non vi è ancora consenso su ciò che lo provoca, con una teoria principale che invoca una nuvola di elettroni riscaldata vicino al disco di accrescimento. Come i buchi neri simili, GSN 069 mostra un eccesso di raggi X morbido durante le esplosioni, ma non tra le eruzioni.

“Potremmo assistere alla formazione dell’eccesso morbido in tempo reale, che potrebbe far luce sulla sua origine fisica”, afferma il coautore Richard Saxton del team operativo XMM-Newton presso il centro astronomico dell’ESA in Spagna.

“Al momento non è chiaro come sia stata creata la nuvola di elettroni, ma stiamo cercando di identificare il meccanismo studiando i cambiamenti nello spettro dei raggi X di GSN 069 durante le eruzioni.”

Il team sta già cercando di individuare le proprietà distintive di GSN 069 nel momento in cui sono state rilevate le eruzioni periodiche per cercare altri casi da studiare.

“Uno dei nostri obiettivi immediati è la ricerca di eruzioni quasi periodiche a raggi X in altre galassie, per comprendere ulteriormente l’origine fisica di questo nuovo fenomeno”, aggiunge la coautrice Margherita Giustini del Centro de Astrobiología di Madrid.

“GSN 069 è una fonte estremamente affascinante, con il potenziale per diventare un riferimento nel campo dell’accrescimento del buco nero”, afferma Norbert Schartel, scienziato del progetto XMM-Newton dell’ESA.

La scoperta non sarebbe stata possibile senza le funzionalità di XMM-Newton. “Queste esplosioni accadono nella parte a bassa energia della banda di raggi X, dove XMM-Newton è imbattibile. Avremo sicuramente bisogno di utilizzare nuovamente l’osservatorio se vogliamo trovare altri eventi di questo tipo in futuro”, conclude Norbert.

 

 

 

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