Velocità di distorsione in avanti: Come il buco nero della nostra galassia piega lo Spaziotempo

Nell'illustrazione di un artista in sezione trasversale, c'è un buco nero supermassiccio e il materiale circostante nel cuore della nostra galassia. La sfera nera al centro è l'orizzonte degli eventi del buco nero, la soglia oltre la quale nulla, compresa la luce, può sfuggire. L’illustrazione ritrae una vista laterale del buco nero rotante, mostrando lo spaziotempo circostante che è sorprendentemente simile alla forma di un pallone da football americano. Il materiale luminoso giallo-arancio su entrambi i lati simboleggia il gas catturato in un vortice attorno al buco nero. Quando il materiale si avvicina al buco nero, rientra nella forma del pallone da calcio e attraversa l’orizzonte degli eventi. Di conseguenza, l’area all’interno di questa forma ma esterna all’orizzonte degli eventi appare cavitata. Ci sono macchie blu che raffigurano getti che partono dai poli rotanti del buco nero. Credito: NASA/CXC/M.Weiss

Il buco nero supermassiccio nel cuore della nostra galassia, la Via Lattea, noto come Sagittarius A*, ruota così rapidamente da distorcere lo spaziotempo attorno a sé. Questa distorsione ha un impatto sulle dinamiche galattiche e può potenzialmente influenzare la nascita delle future stelle.

Un recente studio che utilizza dati provenienti dall'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA e dal Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) della National Science Foundation ipotizza che il buco nero al centro della Via Lattea stia ruotando a una velocità così elevata da modellarsi spaziotempo circostante in una forma simile a quella di un pallone da calcio.

Questo enorme buco nero, noto come Sagittarius A* (o Sgr A* in breve), si trova a circa 26.000 anni luce dalla Terra, nel centro della nostra galassia.

Due proprietà fondamentali dei buchi neri, la loro massa (peso) e lo spin (velocità di rotazione), offrono informazioni cruciali sul loro comportamento e sulle loro funzioni, quando note.

Utilizzando una nuova metodologia che utilizza dati radio e raggi X, un gruppo di ricerca è stato in grado di determinare la velocità di rotazione di Sgr A*, in relazione al modo in cui il materiale fluisce verso e lontano dal buco nero. I ricercatori hanno scoperto che Sgr A* ha una velocità angolare (giri al secondo) vicina al 60% del valore massimo possibile, una soglia determinata dall'incapacità della materia di muoversi più velocemente della luce.

Le stime precedenti della velocità di rotazione di Sgr A* sono variate in modo significativo, con alcuni studi che suggerivano l'assenza totale di rotazione mentre altri propongono una velocità di rotazione quasi massima.

Ruth Daly della Penn State University, autrice principale del nuovo studio, afferma: “La nostra ricerca potrebbe aiutare a risolvere il dibattito sulla velocità di rotazione del buco nero supermassiccio della nostra galassia. I nostri risultati suggeriscono che Sgr A* sta girando a una velocità incredibile, il che non solo è intrigante ma ha implicazioni di vasta portata”.

È raffigurata un'immagine a raggi X di Chandra di Sagittarius A* e dell'area circostante. Credito: NASA/CXC/Univ. del Wisconsin/Y.Bai, et al.

Un buco nero rotante crea un effetto di attrazione sullo “spaziotempo” (la combinazione di tempo e tre dimensioni spaziali) e sulla materia circostante. Lo spaziotempo attorno a un buco nero rotante si comprime, assumendo una forma circolare se visto dall’alto. Da una prospettiva laterale, lo spaziotempo assomiglia più a un pallone da calcio, con una rotazione crescente che ne appiattisce ulteriormente la forma.

La rotazione di un buco nero funge da fonte di energia chiave, generando deflussi focalizzati come getti quando viene sfruttata l’energia di rotazione, ma solo se il buco nero è situato vicino a una certa quantità di materia. A causa del limitato carburante nelle vicinanze, Sgr A* è rimasta relativamente dormiente negli ultimi millenni, emettendo getti piuttosto deboli. Tuttavia, le nuove scoperte mostrano che un aumento della materia vicina potrebbe potenzialmente attivarlo.

Il coautore Biny Sebastian dell'Università di Manitoba a Winnipeg, in Canada, identifica un buco nero rotante con un "razzo sulla rampa di lancio". Non appena il materiale si avvicina, viene effettivamente premuto il pulsante "lancia".

Se le proprietà della materia vicina e l’intensità del campo magnetico dovessero cambiare in futuro, l’enorme energia derivante dalla rotazione del buco nero potrebbe alimentare deflussi più potenti. Il materiale di partenza richiesto potrebbe provenire dal gas o dai resti di una stella, se si avvicina troppo a Sgr A* e viene lacerata dall'attrazione gravitazionale del buco nero.

“I getti alimentati e collimati dal buco nero centrale rotante di una galassia possono influenzare profondamente la fornitura di gas per un’intera galassia, il che influenza la velocità con cui le stelle possono formarsi”, ha affermato la coautrice Megan Donahue della Michigan State University. “Le ‘bolle di Fermi’ viste nei raggi X e nei raggi gamma attorno al buco nero della nostra Via Lattea mostrano che probabilmente il buco nero era attivo in passato. Misurare la rotazione del nostro buco nero è un test importante per questo scenario”.

Per determinare lo spin di Sgr A*, gli autori hanno utilizzato un metodo teorico basato empiricamente denominato “metodo del deflusso” che descrive in dettaglio la relazione tra lo spin del buco nero e la sua massa, le proprietà della materia vicino al buco nero, e le proprietà del deflusso. Il flusso collimato produce le onde radio, mentre il disco di gas che circonda il buco nero è responsabile dell'emissione di raggi X. Utilizzando questo metodo, i ricercatori hanno combinato i dati di Chandra e del VLA con una stima indipendente della massa del buco nero ottenuta da altri telescopi per limitare la rotazione del buco nero.

“Abbiamo una visione speciale di Sgr A* perché è il buco nero supermassiccio più vicino a noi”, ha detto il coautore Anan Lu della McGill University di Montreal, Canada. “Anche se al momento la situazione è tranquilla, il nostro lavoro dimostra che in futuro darà una spinta incredibilmente potente alla materia circostante. Ciò potrebbe accadere tra mille o un milione di anni, o potrebbe accadere nel corso della nostra vita”.

Il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea ruota così velocemente da deformare lo spaziotempo che lo circonda in una forma che può assomigliare a un pallone da football americano. Questo risultato è stato ottenuto utilizzando i dati dell’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, un telescopio a raggi X nello spazio, e del Very Large Array della NSF, una serie di radiotelescopi nel Nuovo Messico. Credito: NASA/CXC/A. Hobart

L’articolo che descrive questi risultati condotto da Ruth Daly è pubblicato nel numero di gennaio 2024 del Monthly Notice della Royal Astronomical Society.