L'intero cielo è pieno di un bagliore diffuso e ad alta energia: lo sfondo dei raggi X cosmici. Negli ultimi anni gli astronomi hanno potuto dimostrare che questa radiazione può essere quasi completamente associata a singoli oggetti. Allo stesso modo, Galileo Galilei all'inizio del 17 ° secolo ha risolto la luce della Via Lattea in singole stelle. Lo sfondo dei raggi X ha origine in centinaia di milioni di buchi neri supermassicci, che si nutrono di materia nei centri di sistemi galattici distanti. Poiché i buchi neri stanno accumulando massa, li osserviamo sullo sfondo dei raggi X durante la loro fase di crescita. Nell'universo di oggi, enormi buchi neri si trovano nei centri di praticamente tutte le galassie vicine.
Quando la materia precipita nell'abisso di un buco nero, accelera attorno al vortice cosmico quasi con la velocità della luce e si riscalda così fortemente, che emette il suo "ultimo grido di aiuto" sotto forma di radiazione ad alta energia, prima che svanisce per sempre. Pertanto i buchi neri putativamente invisibili sono tra gli oggetti più luminosi dell'universo, se vengono nutriti bene nei centri delle cosiddette galassie attive. Gli elementi chimici della sostanza nella materia emettono raggi X di una lunghezza d'onda caratteristica e possono quindi essere identificati attraverso la loro impronta digitale spettrale. Gli atomi dell'elemento ferro sono uno strumento diagnostico particolarmente utile, perché questo metallo è più abbondante nel cosmo e si irradia più intensamente alle alte temperature.
In modo simile alle trappole radar, con cui la polizia identifica le auto in corsa, le velocità relativistiche degli atomi di ferro che circondano il buco nero possono essere misurate attraverso uno spostamento della lunghezza d'onda della loro luce. Attraverso una combinazione degli effetti previsti dalla speciale e generale teoria della relatività di Einstein, tuttavia, è previsto un profilo di linea asimmetrico tipicamente ampliato, ovvero un'impronta digitale macchiata nella luce a raggi X dei buchi neri. La relatività speciale postula che gli orologi in movimento corrono lenti e la relatività generale prevede che gli orologi procedano lentamente in prossimità di grandi masse. Entrambi gli effetti portano a uno spostamento della luce emessa dagli atomi di ferro nella parte di lunghezza d'onda più lunga dello spettro elettromagnetico. Tuttavia, se osserviamo la materia che circonda nel cosiddetto "disco di accrescimento" (Fig. 1) dal lato, la luce degli atomi che corre verso di noi appare spostata su lunghezze d'onda più brevi e molto più luminose di quella che si allontana da noi. Questi effetti della relatività sono più forti, più la materia si avvicina al buco nero. A causa dello spaziotempo curvo, sono i più forti nei buchi neri a rotazione rapida. Negli anni passati, alcune misure di linee relativistiche di ferro sono state possibili in alcune galassie vicine, per la prima volta nel 1995 con il satellite giapponese ASCA.
Ora i ricercatori intorno a G? Nther Hasinger del Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics, insieme al gruppo di Xavier Barcons presso l'Institute de F? Sica de Cantabria di Santander e Andy Fabian presso l'Institute of Astronomy di Cambridge, Regno Unito hanno scoperto l'impronta relativisticamente imbrattata di atomi di ferro nella luce a raggi X media di circa 100 fori neri distanti dello sfondo di raggi X (Fig. 2). Gli astrofisici hanno utilizzato l'osservatorio dei raggi X XMM-Newton dell'Agenzia spaziale europea ESA. Hanno puntato lo strumento su un campo nella costellazione del mestolo per oltre 500 ore e hanno scoperto diverse centinaia di fonti di raggi X deboli.
A causa dell'espansione dell'Universo, le galassie si allontanano da noi con una velocità che aumenta con la loro distanza e quindi le loro linee spettrali appaiono tutte a diversa lunghezza d'onda; gli astronomi dovevano prima correggere la luce a raggi X di tutti gli oggetti nella cornice di riposo della Via Lattea. Le misure di distanza necessarie per oltre 100 oggetti sono state ottenute con l'American Keck-Telescope. Dopo aver co-aggiunto la luce da tutti gli oggetti, i ricercatori sono rimasti molto sorpresi dal segnale inaspettatamente grande e dalla forma tipicamente ampliata della linea di ferro.
Dalla forza del segnale hanno dedotto la frazione di atomi di ferro nella materia accumulata. Sorprendentemente, l'abbondanza chimica di ferro nella "nutrizione" di questi buchi neri relativamente giovani è circa tre volte superiore rispetto al nostro sistema solare, che è stato creato in modo significativo in seguito. Pertanto, i centri delle galassie nell'Universo primordiale dovevano avere un metodo particolarmente efficiente per produrre ferro, probabilmente perché l'attività violenta di formazione stellare "genera" gli elementi chimici piuttosto rapidamente nelle galassie attive. La larghezza della linea indicava che gli atomi di ferro devono irradiarsi piuttosto vicino al buco nero, coerentemente con i fori neri che ruotano rapidamente. Questa conclusione è stata trovata anche indirettamente da altri gruppi, che hanno confrontato l'energia sullo sfondo dei raggi X con la massa totale di buchi neri "dormienti" nelle galassie vicine.
Fonte originale: Comunicato stampa della Max Planck Society
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