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Come trovo un buco nero?

La curiosità del mese di febbraio 2009 a cura di Tomaso Belloni

Fig. 1 - Campo stellare contenente Cygnus X-1, il primo sistema binario con un buco nero scoperto più di quarant’anni fa.

Nella Curiosità del Mese di Ottobre abbiamo visto come si può "vedere" un buco nero tramite gli effetti che esercita su un’altra stella o, nel caso dei buchi neri al centro delle galassie, sulla galassia circostante (vai al link Come posso vedere un buco nero? - curiosità dell’ottobre 2008).
Il problema è che di stelle nella nostra galassia ce ne sono più o meno cento miliardi, per non parlare delle galassie dell’universo, mentre le misure che devo fare per stabilire la presenza di un buco nero sono lunghe e complesse.
Come faccio a scegliere quale stella o galassia guardare?
Nella prima figura possiamo vedere il campo stellare che contiene il primo sistema binario contenente un buco nero in orbita intorno a una stella supergigante: riuscite a capire qual è?
Impossibile, vero?
Stiamo guardando proprio nel piano della Via Lattea e la densità di stelle è enorme.
Ciò che ci viene in aiuto è il fatto che un buco nero è un oggetto vorace e in un sistema binario non si limita a girare intorno alla sua stella compagna.

Fig. 2 - Disegno raffigurante un sistema binario formato da un buco nero e da una stella "normale".

La sua attrazione di gravità è così forte che riesce a strappare gas dalla compagna e a inghiottirlo!
Proprio così: la stella viene deformata assumendo una forma a pera e perdendo gas dal "picciolo" verso il buco nero.
Come vedete dalla seconda immagine, il gas "rubato" alla stella non cade direttamente nel buco nero, ma forma un disco.

Fig. 3 - Stessa regione di cielo della Fig. 1 ma osservata in raggi X (Satellite ROSAT). L’unica sorgente che si vede è il buco nero del sistema binario Cygnus X-1. Tornate alla prima immagine, passateci sopra col mouse: comparirà una freccia che vi indica la stella compagna del buco nero..

Un po’ come l’acqua del lavandino non cade direttamente nello scarico, ma forma un gorgo.
Al contrario del lavandino dove l’acqua si comporta in modo tranquillo, qui stiamo parlando dello spazio molto vicino a un buco nero.
Il gas del disco si scalda e quando arriva vicino al buco nero è così caldo che invece della luce che possiamo vedere con i nostri occhi emette raggi X!
Una stella normale, ad esempio il nostro Sole, emette anch’essa raggi X, ma milioni di volte molto più debolmente.
Mi aspetto quindi che osservando stelle lontane, devo vedere molto poco (se non niente) le stelle normali, mentre un sistema con un buco nero dovrebbe brillare in cielo.
Questo è esattamente quello che accade.
Nella terza figura possiamo vedere lo stesso identico pezzo di cielo della prima figura, soltanto questa volta osservato con un telescopio per raggi X (dal satellite tedesco ROSAT).
In questa immagine riuscite a capire qual è il buco nero?
Ora tornate alla prima figura, passateci sopra col mouse: vedrete comparire una freccia (solo se avete abilitato javascript!) che indica la stella compagna del buco nero!

Nel caso del centro di una galassia, il principio è lo stesso.
Guardando l’immagine in raggi X si può capire se una galassia contenga un buco nero supermassiccio.
In realtà, gli astronomi ritengono che tutte le galassie ne contengano uno, ma quelli più interessanti sono quelli in cui succede qualcosa... ovvero non una stella che viene "mangiata", ma diverse stelle che trovandosi sfortunatamente troppo vicino al buco nero vengono divorate, questa volta interamente, dal buco nero.