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I mostri al centro delle galassie

La curiosità del mese di novembre 2013 a cura di Gabriele Ghisellini

Fig. 1 - Due immagini pittoriche della materia che cade, spiraleggiando su orbite sempre piu' piccole, dentro al buco nero.

Fig. 1 - Due immagini pittoriche della materia che cade, spiraleggiando su orbite sempre più piccole, dentro al buco nero.

È da una quindicina di anni che sappiamo che al centro di ogni galassia risiede un mostro.
Un buco nero enorme, pesante da un milione ad un miliardo di masse solari.
Anche la nostra Via Lattea ne ha uno, da 4 milioni di masse solari.
Una taglia tutto sommato "small".

Fig. 2 - Immagine pttorica di una galassia vista di taglio, con le regioni centrali che emettono una quantita' prodigiosa di energia.

Fig. 2 - Immagine pittorica di una galassia vista di taglio, con le regioni centrali che emettono una quantità prodigiosa di energia.

La grande maggioranza di questi buchi neri se ne sta buona, in silenzio e al buio.
Ma uno su cento invece, attirando il gas vicino, oppure catturando una stella incosciente che si avvicina troppo (vedi curiosità del luglio 2011), riesce a produrre luce quantità (vedi Fig. 2). Addirittura più dei 100 miliardi di stelle che formano una galassia come la nostra.
Pensate alla Via Lattea, ai suoi bracci a spirali pieni di stelle. Pensate a quanto è grande: per attraversarla da un capo all’altro la luce impiega centomila anni. E pensate a quel minuscolo angolino, vicino al braccio di Orione, dove vive il nostro sistema solare (vedi Fig. 3). Una cosa insignificante, un volume piccolissimo. Però è proprio da un volume come il nostro Sistema Solare, ma posto al centro della Via Lattea, che certi buchi neri scatenano l’Inferno. Il nostro no, adesso è tranquillo, ma nel passato anche lui ha avuto una vita violenta. E probabilmente ci sarà qualche fuoco d’artificio molto presto, visto che sta arrivando una nuvola di gas che alimenterà il mostro per un po’ (vedi curiosità del settembre 2012).
Un buco nero, si sa, è nero.... Non è lui che emette luce. È la materia che gli cade dentro che lo fa, prima di sparire nel gorgo di gravità da cui niente può sfuggire, neanche la luce.
Il sistema è molto semplice: la materia, cadendo, si comprime, si scalda ed emette luce.
Dato che l’energia così liberata aumenta avvicinandosi al buco nero, anche la luce emessa aumenta all’avvicinarsi del buco nero.
Non troppo però! Perchè molto molto vicini alla distanza di "non ritorno" la luce viene catturata dal buco nero, e quindi non ci raggiunge.
Se il buco nero è di taglia stellare (taglia S), allora la "luce" che ci raggiunge è sottoforma di raggi X (gli stessi che usiamo per fare le radiografie), mentre se il buco nero è supermassivo (taglia XXL), come quelli al centro delle galassie, allora la maggior parte della luce è emessa nella banda ultravioletta. Ma quanta ne viene emessa?

Fig. 3 -Noi siamo qui.... Vicino, ma non dentro, al braccio di Orione, a circa 24 mila anni luce dal centro, dove vive un buco nero da 4 milioni di masse solari. Per il prossimo futuro è previsto che una nube molecolare si avvicini troppo, e che una parte di essa ci caschi dentro (vedi curiosità del settembre 2012).

Dipende da quanta materia cade dentro il buco nero. Più ne cade, più grande è la luminosità.
Però c’è un limite massimo. Perchè la luce esercita una pressione sulla materia che sta cadendo, e se la luminosità è sufficientemente grande riesce a "soffiarla" via.
Ma quando questo succede la materia non cade più, non si riscalda e la luce non viene prodotta... E quindi la pressione svanisce, e la materia può cadere di nuovo, ricominciando a produrre luce.
Stiamo parlando comunque di luminosità enormi: se il buco nero al centro della Via Lattea producesse la massima luminosità possible, questa sarebbe equivalente a quella prodotta da 100 miliardi di stelle come il Sole, cioè sarebbe pari alla luminosità dell’intera nostra Galassia (che è fatta appunto di 100 miliardi di stelle ...).

Fig. 4 - La massa dei buchi neri supermassivi e la massa, in stelle, della galassie che li ospitano sono in relazione tra loro: piu' grande il buco nero centrale, piu' grande la galassia ospite. Si calcola che la massa del buco nero sia circa un millesimo della massa della galassie ospite.

Fig. 4 - La massa dei buchi neri supermassivi e la massa, in stelle, della galassie che li ospitano sono in relazione tra loro: più grande il buco nero centrale, più grande la galassia ospite. Si calcola che la massa del buco nero sia circa un millesimo della massa della galassie ospite.

C’è stato un tempo, quando il nostro buco nero si stava formando, in cui produceva sul serio una luminosità simile. In altre galassie vediamo proprio questo: un centro brillantissimo, con una luminosità pari o superiore a quella di tutte le stelle della galassa ospite.
Vengono per questo chiamate Nuclei Galattici Attivi.
Come abbiamo detto, 4 milioni di masse solari, che è la stazza del buco nero della Via Lattea, sono tutto sommato poca cosa al confronto con la stazza dei veri giganti, cioè di quei buchi neri che hanno un miliardo o più di masse solari.
È da un quindicina di anni che abbiamo scoperto una cosa interessante: più la massa della galassia ospite è grande, e più è grande la massa del buco nero centrale. Il rapporto è di circa mille a uno: cioè i buchi neri da un miliardo di masse solari abitano in galassie che hanno mille miliardi di stelle come il nostro Sole (vedi Fig. 4). Come mai c’è questa relazione?
Sarà valida per tutte le galassie, oppure solo per le galassie per cui abbiamo misurato la stazza del buco nero, galassie che sono tutto sommato vicine e di mezza o terza età? La relazione varrà anche per le galassie giovani, nel periodo della loro infanzia e adolescenza? Come fa il buco nero centrale, che è sì un mostro, ma piccolo e leggero in confronto al totale delle stelle, ad influenzare la loro formazione? E poi, chi nasce prima: il buco nero centrale o le stelle?
Questo è quello che si cerca di scoprire oggi ...