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Spostati un po’ verso il rosso

La curiosità del mese di dicembre 2013 a cura di Tomaso Belloni

Fig. 1 - Visione artistica di un sistema composto da un buco nero che strappa il gas della stella compagna. Questo gas spiraleggiando crea un disco di materia attorno ad esso. Parte di ciò che precipita verso il buco nero viene poi accelerata a velocità prossime a quella della luce nei due getti visibili. (Crediti NASA)

Abbiamo già parlato dei getti relativistici emessi da sistemi celesti contenenti un buco nero (vedi la curiosità di febbraio 2010 - Tieni chiusa la bocca quando mangi!).
Ogni tanto il mostro al centro del sistema, che si tratti di un sistema binario di stelle o del nucleo di una galassia, non mangia tutto il gas che gli arriva, ma ne butta fuori una parte sotto forma di sottili getti che vengono osservati con i radiotelescopi.
In realtà, non siamo completamente sicuri che si tratti di materia che viene espulsa: questi getti potrebbero portare molta energia ma poca materia.
Come al solito, non possiamo certo andare a toccare con mano per vedere se ci sono degli atomi e dobbiamo accontentarci di osservazioni con i telescopi.
Esiste una sorgente (SS 433) in cui c’è evidenza diretta della presenza di materia nei getti, ma si tratta di un sistema peculiare con getti "lenti" (anche se sempre con una velocità pari a una frazione consistente di quella della luce).

Fig. 2 - Immagine artistica del satellite XMM-Newton lanciato il 10 dicembre del 1999. Il satellite e' ancora perfettamente funzionante. Crediti C. Carreau e ESA.

Fig. 2 - Immagine artistica del satellite XMM-Newton lanciato il 10 dicembre del 1999. Il satellite è ancora perfettamente funzionante. Crediti C. Carreau & ESA.

Recentemente una osservazione fatta da un gruppo di ricercatori in parte italiani ha permesso di risolvere l’enigma, almeno per una sorgente (vedi MediaInaf del 13/11/2013 - Buchi neri "sparatutto").
Il telescopio è il satellite europeo per astronomia in raggi X XMM-Newton e la sorgente è un sistema binario contenente un buco nero, chiamato 4U 1630-47 (4U indica che è una sorgente nel quarto catalogo del satellite Uhuru, il primo satellite per astronomia X, i numeri sono le coordinate nel cielo).
Negli spettri in raggi X di questi sistemi binari viene spesso osservata una riga di emissione proveniente da atomi di ferro, le cui caratteristiche peculiari permettono di associarla al disco di accrescimento formato dalla materia che spiraleggia verso il buco nero.
Dato che la materia ruota molto rapidamente, queste righe sono molto larghe a causa dell’effetto Doppler associato alla materia che si muove intorno al buco nero (parte della quale si muove verso di noi, spostando la riga verso il blu, parte si allontana, spostando la riga verso il rosso, parte si muove trasversalmente, non spostando la riga).
Per la sorgente incriminata, la riga si vede molto bene, ma non è allargata (nè deformata) e non è all’energia giusta ma a energie troppo alte.
Simultaneamente, viene osservata un’altra riga a energie più basse.
Nessuna di queste due righe corrisponde a una riga di emissione conosciuta di un elemento chimico.
Son però consistenti con la riga del ferro di cui si parlava prima: quella a basse energie spostata verso il rosso da materia che si allontana da noi, quella a alte energie spostata in modo equivalente verso il blu. La misura di queste due righe in definitiva può essere spiegata come emissione da parte di atomi di ferro che in parte si allontanano e in parte si avvicinano alla stessa altissima velocità.
Nello spettro c’è una terza riga, meno intensa, a energie più alte, consistente come emissione dell’elemento nickel, anche lui in moto verso di noi alla stessa velocità..

Fig. 3 - Rappresentazione artistica del candidato buco nero 4U 1630-47 in due diverse epoche. A sinistra l’emissione X deriva dal disco di accrescimento; a destra compare il getto rilevato dall’emissione radio e lo spettro X evidenzia oltre all’emissione del disco tre righe di emissione che indicano la presenza di materia. Crediti: Riccardo Lanfranchi.

Dato che simultaneamente (o quasi) vi sono osservazioni radio che rivelano la presenza di emissione radio associata a un getto relativistico, la spiegazione più ovvia è che le righe provengano dai getti e non dal disco: quella più rossa dal getto che si allontana e quelle più blu dal getto che si avvicina.
La velocità della materia dei getti viene stimata intorno ai due terzi di quella della luce.
L’importanza di questa misura sta proprio nel fatto che è una prova della presenza di materia nel getto.
Siamo di fronte a due veri e propri getti di materia che vengono espulsi dal sistema a velocità prossima a quella della luce.
Questo permette di calcolare molto più accuratamente l’energia contenuta nei getti, parametro fondamentale per capire la loro natura e soprattutto la loro origine fisica.
Quello che ancora non sappiamo è perchè parte della materia che arriva molto vicino al buco nero, dove l’attrazione gravitazionale da parte del mostro è più forte, invece di venire inghiottita viene sparata fuori sotto forma di getti molto sottili, e quindi collimati, a una velocità prossima a quella della luce.

Per saperne di più

Buchi neri "sparatutto" - MediaInaf
New data on the composition of relativistic jets from black holes - Università di Barcellona