I buchi neri piegano la nostra comprensione dell'Universo e le leggi della fisica. Mentre il buco nero gira, trascina con sé lo spazio circostante e offre agli astronomi l'opportunità di studiare alcune previsioni di Einstein sulla relatività.
L'esistenza di buchi neri è forse la previsione più affascinante della teoria della relatività generale di Einstein. Quando una massa, come una stella, diventa più compatta di un certo limite, la sua stessa gravità diventa così forte che l'oggetto collassa in un punto singolare, un buco nero. Nella mente popolare, questo immenso pozzo gravitazionale è un luogo dove accadono cose strane. E ora, un team guidato dal Center for Astrophysics ha misurato un buco nero di massa stellare che gira così rapidamente - ruotando più di 950 volte al secondo - che spinge il limite di velocità previsto per la rotazione.
"Direi che questo regime di gravità è lontano dall'esperienza diretta e dalla conoscenza del mondo subatomico stesso", afferma l'astronomo del CfA Jeffrey McClintock.
Applicando una tecnica per misurare lo spin sviluppata congiuntamente da McClintock e l'astrofisico della CfA Ramesh Narayan, il team ha usato i dati satellitari Rossi della radiografia a tempo di raggi X della NASA per fornire la determinazione più diretta di spin del buco nero.
McClintock e Narayan guidarono un gruppo internazionale composto da Rebecca Shafee, Dipartimento di Fisica dell'Università di Harvard; Ronald Remillard, Centro Kavli per astrofisica e ricerca spaziale, MIT; Shane Davis, Università della California, Santa Barbara e Li-Xin Li, Istituto Max-Planck per l'astrofisica, Germania, in questa ricerca. I risultati sono pubblicati nel numero odierno di Astrophysical Journal.
"Ora disponiamo di valori precisi per la velocità di rotazione di tre buchi neri", afferma McClintock. "Il più interessante è il nostro risultato per il microquasar GRS1915 + 105, che ha una rotazione compresa tra l'82% e il 100% del valore massimo teorico."
"Questo risultato ha importanti implicazioni per spiegare come i buchi neri emettono getti, per modellare possibili fonti di esplosioni di raggi gamma e per la rilevazione di onde gravitazionali", afferma il teorico Narayan.
Perché agli astronomi interessa lo spin?
"In astronomia, un buco nero è completamente descritto da solo due numeri che specificano la sua massa e la sua velocità di rotazione", afferma McClintock. "Non sappiamo nient'altro che semplice tranne una particella fondamentale come un elettrone o un quark."
Sebbene gli astronomi abbiano avuto successo nel misurare la massa del buco nero, hanno trovato molto più difficile misurare il secondo parametro fondamentale di un buco nero, la sua rotazione.
"In effetti, fino a quest'anno, non esisteva una stima credibile della rotazione di nessun buco nero", afferma Narayan.
La gravità di un buco nero è così forte che, mentre il buco nero gira, trascina lo spazio circostante. Il bordo di questo buco che gira è chiamato l'orizzonte degli eventi. Qualsiasi materiale che attraversi l'orizzonte degli eventi viene trascinato nel buco nero.
"La frequenza di spin del buco nero che abbiamo misurato è la velocità con cui lo spazio-tempo gira o viene trascinato, proprio all'orizzonte degli eventi del buco nero", afferma Narayan.
Il buco nero ad alta velocità, GRS 1915, è il più massiccio dei 20 buchi neri binari a raggi X per i quali le masse sono attualmente conosciute, che pesa circa 14 volte il Sole. È noto per proprietà uniche come l'espulsione di getti di materia a quasi la velocità della luce e le rapide variazioni della sua emissione di raggi X.
Negli ultimi decenni, sono stati scoperti dozzine di buchi neri nei sistemi binari a raggi X. Un binario a raggi X è un sistema in cui due oggetti orbitano l'uno attorno all'altro, con il gas proveniente da uno - una stella normale come il Sole - che viene trasferito costantemente all'altro - in questo caso, un buco nero. Il gas si sviluppa a spirale sul buco nero con un processo chiamato accrescimento. Mentre si sviluppa a spirale, si riscalda fino a milioni di gradi e irradia i raggi X. Il team ha utilizzato lo spettro dei raggi X del disco di accrescimento del buco nero per determinarne la rotazione.
La tecnica si basa su una previsione chiave della teoria della relatività: il gas che si accumula su un buco nero si irradia solo verso un certo raggio che si trova al di fuori del buco nero - al di fuori del suo orizzonte degli eventi. All'interno di questo raggio, il gas cade nel foro troppo rapidamente per produrre molta radiazione. Il raggio critico dipende dalla rotazione del buco nero, quindi la misurazione di questo raggio fornisce una stima diretta della rotazione. Più piccolo è il raggio, più caldi sono i raggi X emessi dal disco. La temperatura dei raggi X, unita alla luminosità dei raggi X, fornisce il raggio che, a sua volta, fornisce la frequenza di rotazione del buco nero.
"È davvero bello poter misurare qualcosa di così fondamentale", afferma Rebecca Shafee, che è uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Harvard. “Il nostro metodo è molto semplice nel concetto e facile da capire. Siamo davvero fortunati ad avere potenti osservatori di raggi X come il Rossi X-ray Timing Explorer nello spazio e i telescopi sulla Terra per eseguire le misure di cui abbiamo bisogno. "
La ricerca della causa dei lampi di raggi gamma, che può essere, per un momento, il lampo più luminoso dell'universo, può essere aiutata dai risultati del team. L'astrofisico teorico Stan Woosley dell'Università della California, Santa Cruz, ha modellato esplosioni di raggi gamma basate sul crollo di una stella massiccia. Questi modelli, tuttavia, dipendono dall'esistenza di buchi neri con rotazione molto elevata, che fino ad ora non erano mai stati confermati.
"Questo è estremamente importante", afferma Woosley. "Non avevo idea che tali misure potessero essere fatte".
Il documento conclude che il GRS 1915 e gli altri due buchi neri studiati dal team sono nati con i loro giri alti. Cioè, il nucleo collassante della stella massiccia originale ha riversato il suo momento angolare nel buco nero.
"Sin da quando la comunità ha capito molti anni fa come misurare la massa del buco nero, misurare lo spin è stato il Santo Graal in questo campo", afferma McClintock. “La tecnica che abbiamo usato su GRS 1915 può essere applicata a numerosi altri binari a raggi X buco nero. Non vediamo l'ora di vedere cosa troviamo! '”
"Una delle nostre più grandi speranze è che i sistemi del buco nero che stiamo studiando saranno studiati anche da altri gruppi usando i loro metodi preferiti per misurare la rotazione", afferma Narayan. "Una volta che questi altri metodi saranno ulteriormente sviluppati e diventeranno più affidabili, il confronto incrociato dei risultati dei diversi metodi sarebbe molto interessante."
Fonte originale: CfA News Release
