Un team di astronomi ha usato una nuova tecnica per misurare la dimensione del disco di accrescimento di un buco nero.

Quando si parla di un buco nero, come sua caratteristica distintiva si pensa subito al suo orizzonte degli eventi, quel punto di non ritorno da cui nemmeno la luce può sfuggire. Anche se tutti i buchi neri hanno un orizzonte degli eventi, una delle caratteristiche più importante è il disco di gas incandescente e di polvere che lo circonda, noto come disco di accrescimento. E un team di astronomi ne ha misurato con precisione la dimensione per la prima volta. Secondo Newton, se si lascia cadere un oggetto da fermo vicino a un pianeta o una stella, l’oggetto cadrà verso il basso, tracciando un percorso lineare fino a colpire il pianeta o la stella. Ma Einstein dice qualcosa di leggermente diverso. Questo percorso rettilineo è possibile solo se il pianeta o la stella non ruotano perché in caso di rotazione lo spazio vicino al pianeta o alla stella risulta distorto. È un effetto noto come “frame dragging” (o trascinamento del fotogramma), significa che il nostro oggetto viene trascinato attorno all’oggetto mentre cade e lo abbiamo misurato nei satelliti attorno alla Terra.

Un trascinamento estremo

Foto di un buco nero
La prima foto di un buco nero elaborata dall’Event Horizon Telescope nel 2019. Credit: Event Horizon Telescope Collaboration/EPA

Vicino ai buchi neri che ruotano velocemente, l’effetto di frame dragging può essere immenso. Ciò significa che quando il gas e la polvere iniziano a cadere verso il buco nero, vengono trascinati fuori in un disco attorno al piano equatoriale del buco nero. Tutto il gas e la polvere sono surriscaldati, il che crea un’enorme pressione e il disco genera forti campi magnetici, potenti raggi X e persino getti di gas che si allontanano dal buco nero quasi alla velocità della luce.

La maggior parte dei buchi neri che abbiamo identificato nell’Universo hanno subito gli effetti ad alta energia dei loro dischi di accrescimento. Ma la fisica dei dischi di accrescimento del buco nero è complessa e non ne comprendiamo ancora appieno la dinamica né abbiamo una misura precisa delle loro dimensioni. Disponiamo solo di un indicatore di base della dimensione dei dischi di accrescimento.

Però gli astronomi hanno notato che i quasar, buchi neri supermassicci con un disco di accrescimento visibile nelle onde radio, possono variare in luminosità. Data la velocità finita della luce, la velocità di queste fluttuazioni ci fornisce un limite superiore alla dimensione del disco di accrescimento. Quindi, ad esempio, se un quasar fluttua sulla scala di un anno, sappiamo che il disco di accrescimento non può essere più grande di circa un anno luce.

Il quasar fluttuante che è stato misurato con maggiore precisione è 3C 273 e sappiamo che il suo disco di accrescimento ha un diametro di circa 1,5 anni luce. Ma questo è solo un limite superiore e il disco di accrescimento potrebbe essere più piccolo. Senza una misura diretta del disco di accrescimento, ci affidiamo a simulazioni al computer per stimarne le dimensioni. Ora un recente studio ha misurato direttamente il disco di accrescimento di un buco nero supermassiccio facendo un passo avanti nella comprensione dei buchi neri.

La misurazione del disco di accrescimento

La nuova tecnica per misurare la larghezza di un disco di accrescimento. Crediti: NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

Per raggiungere questo obiettivo, il team ha utilizzato un approccio diverso. Invece di usare le fluttuazioni di luminosità, hanno misurato le linee di emissione di un buco nero supermassiccio al centro di una galassia conosciuta come III Zw 002. Utilizzando il telescopio Gemini North, sono stati in grado di studiare una linea di emissione particolarmente luminosa dell’idrogeno e una dell’ossigeno.

Entrambi questi spettri presentavano una caratteristica di doppio picco. Questo doppio picco è causato dalla rotazione del disco di accrescimento. Mentre il disco ruota, la luce proveniente dalla porzione del disco che ruota verso di noi viene spostata verso lo spettro blu, mentre la luce sulla porzione del disco che ruota lontano da noi viene spostata verso il rosso.

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L’effetto è più significativo sui bordi esterni del disco, da qui la comparsa di un doppio picco. Da questi dati spettrali, il team ha determinato che il buco nero ha una massa di circa 400 – 900 milioni di masse solari e il suo asse di rotazione è inclinato di circa 18 gradi rispetto alla nostra linea di vista. I picchi della linea dell’idrogeno sono a circa 16,8 giorni luce dal buco nero, mentre i picchi della linea dell’ossigeno sono a circa 18,9 giorni luce dal buco nero. Ciò significa che il disco di accrescimento ha un diametro di circa 40 giorni luce.

Questo risultato è solo il primo passo. Il team sta continuando l’osservazione di III Zw 002 e spera di poter analizzare come il disco di accrescimento proceda attorno al buco nero nel tempo, cosa che ci permetterebbe di studiare la dinamica tra i due elementi.

Fonte: Universe Today, The Astrophysical Journal Letters