Buchi neri supermassicci Vol. 3

Mega ciao!

Abbiamo visto che le prime stelle potevano raggiungere masse molto elevate, avere un’evoluzione veloce e collassare in buchi neri massicci. Questi oggetti compatti in seguito ad accrescimento o fusione con altri buchi neri potevano diventare supermassicci. Per spiegare alcuni quasar osservati ad alti redshift, cioè quando l’Universo era molto giovane, è stato proposto anche un altro scenario molto esotico: il collasso diretto di un alone di materia oscura.

In questo caso, per spiegare la formazione delle prime strutture cosmiche, è stata introdotta una variazione al modello Lambda-CDM, cioè il modello con materia oscura fredda e costante cosmologica. In particolare, questa variazione prevede l’esistenza di materia oscura fredda e materia oscura auto-interagente. All’interno di un alone di materia oscura, quella auto-interagente provoca il collasso gravotermico e la successiva catastrofe gravotermica. Cosa significano questi paroloni?

Il collasso gravotermico si verifica quando materia ed energia vengono sottratte da un sistema di punti materiali gravitazionalmente legati. In un sistema del genere quando si sottrae energia le particelle diventano più legate gravitazionalmente e la temperatura cresce. Se abbiamo una differenza di temperatura tra le zone esterne e quelle interne, provocando trasporto di calore e materia verso l’esterno, portando al restringimento delle regioni interno dell’alone e ad un ulteriore aumento della temperatura. A questo punto possono succedere due cose: l’equilibrio può essere ristabilito oppure no. Nel secondo caso, chiamato catastrofe gravotermica, il collasso continua e porta alla formazione di un buco nero di materia oscura molto massiccio, che può ovviamente accrescere la sua materia dalle regioni circostanti. Confrontando questo modello con le osservazioni è stato possibile spiegare la presenza di tre quasar ad alto redshift.

A presto!

Sara

Darth Vader (Image credits: Lucas Film)

Buchi neri supermassicci Vol.2

Mega ciao!

Uno degli scenari più esotici proposti per spiegare la formazione dei buchi neri supermassicci è quello delle “Dark Stars” (Stelle Oscure) #aDarthVaderpiacequestoelemento. In questo caso, oltre alle stelle di Popolazione III, nell’Universo giovane abbiamo la formazione di stelle sostenute dalla materia oscura. Cosa significa?

Mentre le stelle di Popolazione III, come quelle all’epoca attuale, sono sostenute dai processi di fusione nucleare o dalla contrazione gravitazionale, nel caso delle Stelle Oscure l’energia è fornita da processi di annichilazione della materia oscura. In particolare, il nucleo di queste stelle è costituito dalle WIMPS, le particelle massive debolmente interagenti, che sono state proposte come componenti della materia oscura. Le Stelle Oscure sono più grandi di quelle normali e non emettono radiazione ultravioletta, ma l’emissione avviene nell’infrarosso. Questo è importantissimo perchè di solito è la radiazione UV che contribuisce a spazzare via i residui della nube molecolare dai dintorni della stella, quindi il materiale si accumula nei pressi delle Dark Stars e spiraleggia verso di esse, andando ad accrescerne la massa. In questo modo, in circa 100 milioni di anni le stelle possono accrescere fino a masse di 100 mila masse solari. Alla fine della loro vita, quando l’energia fornita dall’annichilazione della materia oscura viene meno, collasseranno in buchi neri massicci che aumenteranno la propria massa tramite processi di accrescimento o fusione con altri buchi neri. Ma le stelle oscure esistono veramente?

Bella domanda! Visto che emettono nell’infrarosso, si pensa che con il James Webb Space Telescope, che sarà lanciato il 18 dicembre (mancano solo 13 giorni!!!!), si riuscirà ad osservarle. Speriamo che tutto prosegua secondo i piani, che il lancio proceda bene e che i pannelli del telescopio si dispieghino senza problemi.

A presto!

Sara

Darth Vader e la Morte Nera (Image credits: Lucas Film)

Buchi neri supermassicci Vol. 1

Mega ciao!

Scusate l’assenza, ma la sessione esami è entrata nel vivo…Se non ricordo male vi avevo promesso di parlare dei metodi di formazione dei buchi neri supermassicci. Direi quindi di partire da una delle ipotesi più lanciate: il collasso di stelle di Popolazione III.

Le stelle di Pop III sono le primissime stelle formate nell’Universo, ad un redshift compreso tra 20 e 30, cioè tra 99 milioni (z=30) e meno di 200 milioni (z=20) di anni dopo il Big Bang. Queste stelle sono nate dal collasso di nubi di gas primordiale, che erano composte esclusivamente da idrogeno ed elio. C’era anche una piccola percentuale di litio, ma era talmente bassa da poter essere completamente trascurata. In una nube del genere mancano i metalli, che per noi astronomi sono tutti gli elementi più pesanti di idrogeno ed elio (lo so, siamo strani), e non troviamo traccia di polvere. Metalli e polvere sono importanti all’epoca attuale per il processo di frammentazione delle nubi molecolari, con cui da una singola nebulosa si formano più stelle. Senza questi componenti il raffreddamento all’interno della nube non è efficiente. Questo si traduce in una minore frammentazione e nella formazione di stelle più massicce. Queste possono poi accrescere la loro massa dal mezzo circostante. La loro evoluzione è molto più rapida rispetto a quella delle stellee all’epoca attuale: in un paio di milioni di anni esauriscono tutto il loro carburante e collassano in buchi neri massicci. I buchi neri accrescono poi la loro massa dal materiale esterno o tramite processi di fusione con altri buchi neri, diventando supermassicci.

A presto!

Sara

Rappresentazione artistica di un buco nero in accrescimento (Image credits: NASA)

SOLUZIONE ASTROQUIZ 40: la formazione dei buchi neri supermassicci

Mega ciao!

SOLUZIONE ASTROQUIZ 40

Vi avevo chiesto come si formano i buchi neri supermassicci. La risposta corretta è: non si sa. Infatti ci sono molte teorie, alcune più esotiche altre meno, che cercano di spiegare la formazione di questi giganti spaziali, ma non sappiamo ancora quale scenario sia quello corretto. Qual è il problema?

Ce ne sono diversi. Innanzitutto nell’Universo non esistono stelle di milioni o miliardi di masse solari che possano collassare direttamente in un buco nero supermassiccio. In secondo luogo, come se la grande massa non fosse un problema sufficiente, risulta molto difficile spiegare la presenza di buchi neri di 12 miliardi di masse solari quando l’Universo non aveva ancora un miliardo di anni. Com’è possibile riuscire a raggiungere masse così grandi in così poco tempo?

Sono stati proposti diversi scenari:

– il collasso di stelle di popolazione III;

– il collasso diretto di una nube di gas;

– la fusione di oggetti meno massicci;

– formazione di stelle supermassicce;

– buchi neri primordiali;

– stelle sostenute dalla materia oscura;

– materia oscura non collisionale.

Cosa prevedono questi modelli?

Lo scopriremo nelle prossime puntate.

A presto!

Sara

Regione attorno al buco nero supermassiccio situato al centro della galassia NGC 1068 (Image credits: NASA)

SOLUZIONE ASTROQUIZ 39: Buchi neri supermassicci nell’Universo giovane

Mega ciao!

SOLUZIONE ASTROQUIZ 39

Il gioco era un vero o falso. L’affermazione era: Esistevano già buchi neri supermassicci con una massa superiore a un miliardo di masse solari quando l’Universo non aveva ancora un miliardo di anni. La risposta corretta è: VERO. Infatti sono stati scoperti dei quasar ad alto redshift contenenti buchi neri con masse estremamente elevate. Ma cos’è un quasar?

Un quasar è un nucleo galattico attivo contenente un buco nero supermassiccio in accrescimento. Il buco nero è circondato da un disco di accrescimento, composto da materia che sta spiraleggiando verso l’oggetto compatto, che nelle sue regioni interne raggiunge temperature elevatissime ed emette nei raggi X. Questo disco è circondato dalla regione delle righe allargate, situata a circa 3.26 anni luce di distanza dal buco nero, a sua volta circondata da un toro di polvere. Lungo l’asse di rotazione del buco nero possiamo trovare dei getti di materia che vengono sparati nello spazio e, ad alto redshift, possono raggiungere dimensioni di milioni di anni luce. Infine, attorno ai getti troviamo una regione a bassa densità, dove si formano le righe proibite, che arriva a qualche migliaio di anni luce di distanza dal buco nero.

Nel 2015, Wu e i suoi collaboratori hanno scoperto un quasar a redshift 6.3 contenente un buco nero supermassiccio con una massa di 12 miliardi di masse solari. Cosa significa?

Possiamo usare il redshift, cioè lo spostamento verso il rosso delle righe spettrali, per determinare l’età dell’Universo quando i fotoni del quasar hanno iniziato il loro viaggio nello spazio per arrivare al nostro telescopio. Essere a redshift z=6.3 significa che l’Universo aveva poco più di 873 milioni di anni. Questo è solo uno dei tanti quasar scoperti ad alto redshift. La domanda è: com’è possibile che nell’Universo giovane esistessero già buchi neri con masse così elevate?

A presto!

Sara

Il quasar SDSS J010013.02+280225.8 ripreso dal telescopio XMM-Newton (Image credits: Ai et al. 2017)

SOLUZIONE ASTROQUIZ 38: scie di gas

Mega ciao!

SOLUZIONE ASTROQUIZ 38

Vi avevo chiesto cosa succede ad una galassia che passa attraverso un ammasso di galassie. La risposta corretta è: perde una parte della sua materia. Infatti non è detto che si fonda con la galassia più grande che trova. Il merging avviene solo se le due galassie passano abbastanza vicino l’una all’altra. In un ammasso, tra una galassia e l’altra, troviamo gas intergalattico a bassa densità (n < 0.01 cm-3) e a temperatura compresa tra 10 e 100 milioni di gradi Kelvin. Kelvin? La temperatura non si misurava in gradi centigradi?

Certo! Però in astronomia si preferisce usare i gradi Kelvin. Cosa sono?

La scala Kelvin è quella che determina la temperatura assoluta, in cui 0 K corrispondono alla temperatura più bassa mai registrata, che equivale a -273.15°C.

Tornando al nostro problema il gas caldo presente in un ammasso di galassie può esercitare abbastanza pressione sulla galassia di passaggio da rimuovere parte del suo mezzo interstellare. Nell’immagine qui sotto potete vedere ESO 137-001, una galassia a spirale che sta attraversando l’ammasso di galassie Abell 3627 lasciandosi dietro delle scie blu di gas.

A presto!

Sara

ESO 137-001 (Image credits: NASA/ESA)

SOLUZIONE ASTROQUIZ 37: stelle iperveloci

Mega ciao!

SOLUZIONE ASTROQUIZ 37

Vi avevo chiesto se una stella che passa vicino al centro galattico possa raggiungere la velocità di fuga necessaria per abbandonare la Via Lattea. La risposta corretta è SI! Queste stelle vengono chiamate stelle iperveloci e hanno velocità che possono superare i 1000 km/s. Come si raggiungono velocità così elevate?

Sono stati proposti diversi meccanismi:

– Il meccanismo di Hill, in cui un sistema binario composto da due stelle passa nei pressi del buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia. L’interazione gravitazionale rompe il sistema binario, che espelle una delle due stelle a velocità di circa 1000 km/s.

– Se al centro della nostra galassia c’è un sistema binario composto da due buchi neri massicci. In questo caso la stella, se non viene catturata, viene accelerata a velocità che possono superare quella di fuga dalla galassia.

– Nel caso in cui un ammasso stellare cada verso il buco nero viene distrutto, quindi le sue stelle non sono più legate gravitazionalmente l’una all’altra e possono essere accelerate dall’interazione gravitazionale con l’oggetto compatto.

Questi sono solo alcuni dei metodi per produrre stelle iperveloci. Altri prevedono incontri ravvicinati di stelle in sistemi stellari densi o l’espulsione da parte di un sistema binario a seguito dell’esplosione di una delle due stelle in supernova. Altri meccanismi sono ancora più complicati. Le stelle iperveloci sono comunque molto interessanti perchè possono darci informazioni fondamentali per capire la dinamica della nostra galassia.

A presto!

Sara

Il ritorno del bagigio spaziale

Mega ciao!

Vi ricordate la missione Rosetta? Qualche anno fa la sonda ha visitato la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, producendo delle immagini spettacolari e sfornando dati importanti che ci hanno permesso di avere una visione più chiara di questi relitti del disco protoplanetario da cui si è formato il Sistema Solare. La missione ha avuto qualche problema a partire dal fatto che la cometa non era liscia e tranquilla come sembrava dalle immagini dell’Hubble, ma sembrava più un gigantesco bagigio spaziale. Questo ha complicato la scelta della zona di atterraggio di Philae, il piccolo rover che doveva andare a spasso per la cometa e raccogliere campioni da analizzare. Come se non bastasse, Philae è rimbalzato per un malfunzionamento degli arpioni ed è atterrato in un crepaccio…al buio…e con una zampa rivolta verso l’alto.

Detto ciò, passiamo al motivo per cui sto riportando a galla la 67P. La cometa sta ripassando per il Sistema Solare interno, quindi dovete fare due cose:

1- armatevi di telescopio o binocolo perchè sarà visibile proprio in queste sere;

2- uscite e cominciate a soffiare altrimenti invece della cometa vedrete solo nuvole.

A presto!

Sara

La cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko (Image credits: ESA)

Si torna a scuola!

Mega ciao!

Finalmente oggi dopo più di un anno siamo tornati a fare attività nelle scuole! Con presentazione power point e sfera didattica abbiamo portato i bambini di quinta elementare a spasso per il Sistema Solare. E’ sempre fantastico deviare giovani menti verso orizzonti astronomici. I bambini sono fenomenali! Fanno sempre domande tostissime.

Se volete portarci anche nelle vostre scuole o in quelle dei vostri figli inviate una mail all’indirizzo

astrofilidischio@gmail.com

A presto!

Sara

SOLUZIONE ASTROQUIZ 35: La massa di una galassia

Mega ciao!

SOLUZIONE ASTROQUIZ 35

Vi avevo chiesto cosa possiamo usare per stimare la massa di una galassia. La risposta corretta è: gli ammassi globulari. Questi oggetti sono composti da centinaia di migliaia di stelle, legate insieme dalla forza di gravità, e si possono trovare nelle regioni centrali e nell’alone della propria galassia. In particolare, gli ammassi globulari presenti nell’alone arrivano a grandi distanze dal centro galattico, quindi sono l’ideale per tracciare il potenziale gravitazionale della galassia ospite. Lo studio di questi oggetti permette quindi di stimare la massa totale della galassia, che non è uguale alla massa della materia luminosa. Sappiamo infatti che in una galassia è presente anche un alone di materia oscura, cioè di materia che non vediamo, non sappiamo esattamente cosa sia ma interagisce gravitazionalmente con il resto delle stelle e del gas presenti. Come possiamo usare gli ammassi globulari per calcolare la massa di una galassia?

Ci sono due metodi:

a- studiare la distribuzione degli ammassi, cioè come sono distribuiti all’interno della galassia, e interpolarla con dei modelli per dedurre la quantità di materia oscura;

b- con la spettroscopia. Come si fa? Prendiamo il Very Large Telescope e lo puntiamo sulla galassia che ci interessa. Attraverso le immagini otteniamo le posizioni degli ammassi globulari presenti. A questo punto programmiamo un’altra osservazione, ma questa volta utilizzando il suo spettroscopio dopo aver creato una maschera con fenditure multiple in corrispondenza delle posizioni degli ammassi. In questo modo con una singola osservazione riusciamo ad ottenere gli spettri di molti ammassi. Che informazioni si ottengono da uno spettro? La velocità degli ammassi, redshift e blueshift, che ci dicono se l’ammasso si sta allontanando o avvicinando a noi. Studiando la velocità media in funzione del raggio si riesce a capire dove arriva l’alone di materia oscura.

A presto!

Sara

L’ammasso globulare NGC 362 (Image credits: NASA/ESA)