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La curiosità del mese

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


Fig. 1 - Immagine pittorica del sistema MAXI J1659-152 in cui una stella nana rossa orbita attorno ad un buco nero. Crediti ESA.
Fig. 1 - Immagine pittorica del sistema MAXI J1659-152 in cui una stella nana rossa orbita attorno ad un buco nero. Guarda MAXI J1659-152 animazione ESA. Crediti ESA.

Molte stelle nella nostra galassia si trovano in sistemi binari.
Come abbiamo già visto (vedi curiosità di febbraio 2010), ci sono anche sistemi binari in cui una delle componenti è un buco nero, residuo di una esplosione di supernova.
Questi sistemi possono diventare forti emettitori di raggi X e gamma se l’orbita è abbastanza stretta da permettere al buco nero di strappare gas alla stella compagna.
Il gas cade verso il buco nero formando un disco di materia che, a differenza del buco nero stesso che è nero, è molto brillante e emette anche radiazione di altissima energia.
Ma quanto stretta può essere una di queste orbite.
Il mese scorso è stato battuto il record. Osservazioni con satelliti per astronomia X (XMM-Newton dell’ESA E Swift della NASA), unitamente allo strumento giapponese MAXI situato sulla stazione spaziale, hanno permesso a un team internazionale (di cui faccio parte) di scoprire un sistema binario contenente un buco nero (chiamato MAXI J1659-152) che ha un’orbita di 2.4 ore.

Fig. 2 - Il satellite XMM-Newton dell'ESA, principale protagonista della scoperta.
Fig. 2 - Il satellite XMM-Newton dell’ESA, principale protagonista della scoperta.

Per le leggi di Keplero, più il sistema è stretto più l’orbita è breve.
Le due stelle sono distanti solo poco più del doppio di quanto dista la luna dalla terra.
La luna percorre la sua orbita in circa un mese, MAXI J1659-152 in 2.4 ore, cioè 144 minuti. La stella compagna viaggia a una velocità di due milioni di chilometri all’ora.
Come abbiamo misurato il periodo?
Sfruttando il fatto che l’orbita di questo sistema è molto inclinata.
L’inclinazione non è sufficiente affinchà la stella normale eclissi il disco di materia che emette raggi X, ma abbastanza perchè il rigonfiamento del disco dove viene colpito dal flusso di materia dalla stella eclissi la parte centrale del disco stesso.
Se le condizioni sono giuste, e per un breve periodo lo sono state, si possono vedere delle mini-eclissi nell’emissione in raggi X ogni 2.4 ore circa. "Circa", ma osservando tante mini-eclissi, tecniche statistiche permettono di risalire all’orbita in modo abbastanza preciso.
Questo sistema, al contrario della maggior parte dei suoi cugini, si trova abbastanza al di sopra del piano della nostra galassia.
Esiste un collegamento fra il fatto che sia un sistema stretto e la sua posizione?
Altri sistemi stretti che si conoscono (pochi, il precedente record ha un periodo più lungo di un’ora di quello di MAXI J1659-152) si trovano anch’essi fuori dal piano galattico.
Un collegamento c’è ed è interessante: solo le coppie strette che sopravvivono all’esplosione di supernova possono prendere velocità sufficienti per uscire dal piano della galassia.

Fig. 3 - Immagine pittorica di un sistema binario in cui avviene un'esplosione di supernova
Fig. 3 - Immagine pittorica di un sistema binario in cui avviene un’esplosione di supernova.

Andiamo per ordine. La maggior parte dei sistemi stellari della nostra galassia si trova nel piano (come il sole). In questo sistema c’è un buco nero, quindi in passato c’è stata una stella che è esplosa in una supernova e ha formato il buco nero.
Quando una supernova esplode, una buona parte del suo gas viene espulsa dal sistema. Quindi improvvisamente quello che rimane della stella esplosa è molto più leggero di prima. La stella compagna che ci orbitava intorno stava viaggiando a una velocità orbitale che adesso è troppo alta. Se il sistema è molto largo, la cosa più probabile che succede è che il sistema si rompe e le due compagne si lasciano.
In questo caso non potremo vedere un sistema del genere. Se il sistema è stretto può sopravvivere.
Se l’esplosione della supernova non è completamente simmetrica, il sistema riceve anche un "calcio" che lo spinge via ad alta velocità.
In questo modo può spostarsi fuori dal piano della galassia.
Conclusione: se vediamo un sistema binario con un buco nero al di fuori del piano della galassia, deve avere un periodo stretto. Gli altri non sono sopravvissuti all’esplosione di supernova.
Sistemi di questo tipo sono importanti perchè ci permettono di ottenere informazioni sulle esplosioni di supernova. È importante scoprirne altri.
Purtroppo i sistemi binari contenenti un buco nero non sono molti, nascono da sistemi binari rari e devono sopravvivere all’esplosione che dà origine al buco nero.
Inoltre la fase della loro vita in cui possiamo vederli come forti emettitori di raggi X è molto breve (su scala astronomica naturalmente).
Quello che possiamo fare è tenere il cielo X sotto osservazione e per questo ci sono strumenti come MAXI, che ogni giorno dalla stazione spaziale scandaglia una gran parte del cielo per scoprire nuove sorgenti.

Per saperne di più

Tu mi fai girar ... press release INAF del 20/03/2013.
MAXI J1659-152 animazione ESA.
Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) dal sito della NASA (in inglese).


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