Lo strano "rutto" dei buchi neri. Non più misteriosa la causa

• Il Mistero di AT2018hyz: il primo “Rutto” documentato

• Un fenomeno più comune del previsto

• Il processo di “Spaghettificazione”

I buchi neri sono invisibili, eppure sono tra le cose più luminose dell’universo. Questa apparente contraddizione nasconde uno dei fenomeni più spettacolari e misteriosi del cosmo: quando una stella si avventura troppo vicino a un buco nero, viene fatta a pezzi in uno spettacolo pirotecnico chiamato evento di distruzione mareale (Tidal Disruption Event, TDE).

Man mano che la stella si avvicina, viene attorcigliata e tirata, e circa la metà della sua massa finisce per essere scagliata verso l’esterno. L’altra metà forma un disco di accrescimento a forma di frisbee intorno al buco nero stesso. Questo disco appena formato non è stabile: il materiale si agita e si scontra con se stesso, creando uno spettacolo di luce rilevabile nelle lunghezze d’onda radio.

Si tratta di eventi rari – gli scienziati stimano che il buco nero gigante al centro della nostra galassia, la Via Lattea, ingoi una stella circa ogni milione di anni. Ma quando accade, rilascia una quantità tremenda di luce ed energia visibile a milioni o addirittura miliardi di anni luce di distanza.

Fino a poco tempo fa, gli astronomi pensavano che dopo il banchetto iniziale, la stella inghiottita non sarebbe mai più stata vista. Le osservazioni degli ultimi cinque anni, tuttavia, suggeriscono il contrario. In una svolta sorprendente non prevista dalla teoria, sembra che i buchi neri possano soffrire di indigestione, rigurgitando materiale anni dopo che le stelle iniziali erano state fatte a brandelli.

Infatti, gli scienziati stanno ora scoprendo che fino alla metà dei buchi neri che divorano stelle iniziano a brillare di nuovo nella luce radio anni dopo essere stati silenziosi – l’equivalente di un rutto cosmico . Sappiamo che questo materiale non sta tornando da oltre l’orizzonte degli eventi – questo è impossibile. Molto probabilmente si sta agitando in un disco di accrescimento al di fuori di quel confine. Ma spiegare come questi rutti dei buchi neri possano verificarsi così tardi è impegnativo.

Il Mistero di AT2018hyz: il primo “Rutto” documentato

Il caso più clamoroso è quello di AT2018hyz , un buco nero che ha lasciato gli scienziati completamente sbalorditi. Nel 2018, gli astronomi avevano osservato quello che sembrava un tipico evento di distruzione mareale: una stella di massa pari a un decimo del nostro Sole veniva divorata da un buco nero situato a 665 milioni di anni luce dalla Terra.

“ Questo ci ha colti completamente di sorpresa – nessuno ha mai visto niente del genere prima ,” ha dichiarato Yvette Cendes del Centro di Astrofisica di Harvard & Smithsonian, autrice principale dello studio pubblicato sull’Astrophysical Journal . “È come se questo buco nero avesse iniziato improvvisamente a rigurgitare un mucchio di materiale dalla stella che ha mangiato anni fa.”

Nel giugno 2021, tre anni dopo l’evento iniziale, i ricercatori hanno notato qualcosa di straordinario: il buco nero aveva improvvisamente iniziato a espellere materiale al 50% della velocità della luce – cinque volte più veloce di quanto di solito si osservi negli eventi TDE. Ancora più sorprendente, per i primi tre anni c’era stato completo silenzio radio.

Come spiega Edo Berger, professore di astronomia ad Harvard e coautore dello studio: “Abbiamo studiato i TDE con radiotelescopi per più di un decennio, e a volte troviamo che brillano nelle onde radio mentre espellono materiale mentre la stella viene consumata per la prima volta dal buco nero. Ma in AT2018hyz c’è stato silenzio radio per i primi tre anni, e ora si è drammaticamente illuminato per diventare uno dei TDE più luminosi radio mai osservati.”

Un fenomeno più comune del previsto

La scoperta di AT2018hyz ha spinto i ricercatori a esaminare altri eventi passati, e ciò che hanno trovato ha rivoluzionato la comprensione dei buchi neri. In un nuovo studio pubblicato recentemente , gli scienziati hanno esaminato 23 altri TDE fino a 3.200 giorni (circa otto anni) dalla loro scoperta, e hanno scoperto che nove di essi avevano “ruttato” materiale stellare anni dopo il banchetto iniziale .

“Se guardi anni dopo, una frazione molto, molto grande di questi buchi neri che non hanno emissione radio in questi primi tempi improvvisamente ‘si accenderanno’ nelle onde radio,” spiega Cendes. “Lo chiamo un ‘rutto’ perché stiamo avendo una sorta di ritardo in cui questo materiale non sta uscendo dal disco di accrescimento fino a molto più tardi di quanto la gente si aspettasse.”

Questi dati sfidano l’idea tradizionale che i buchi neri emettano un deflusso una tantum dopo aver divorato una stella, che si verifica solo poche settimane dopo l’evento iniziale. Invece, sembra che quasi la metà dei buchi neri sperimenti un simile “rutto” ritardato dopo aver banchettato con una stella.

La maggior parte delle galassie delle dimensioni della Via Lattea o più grandi ha un buco nero supermassiccio che si nasconde nel loro centro. Ognuno di questi buchi neri può essere milioni o addirittura miliardi di volte più massiccio del nostro sole, e i loro orizzonti degli eventi – i punti di non ritorno – possono estendersi oltre il raggio dell’orbita di Plutone intorno al sole.

Nonostante queste dimensioni gigantesche, tuttavia, un buco nero non aspira materiale come un aspirapolvere più di quanto il nostro sole aspiri i pianeti. Se il nostro sole fosse istantaneamente sostituito da un buco nero, per esempio, la Terra continuerebbe sulla stessa orbita di sempre. Invece, ciò che rende un buco nero così unico è la sua densità . Entro la distanza dell’orizzonte degli eventi, la sua attrazione gravitazionale è così forte che niente può sfuggire.

Il nostro buco nero della Via Lattea, chiamato Sagittarius A * (o Sgr A* in breve), si trova a circa 27.000 anni luce dalla Terra ed è circa quattro milioni di volte più massiccio del sole. Gli astronomi hanno tracciato attentamente per decenni diverse dozzine di stelle individuali che sono in orbite stabili intorno a Sgr A*.

Il processo di “Spaghettificazione”

Molto prima di raggiungere l’orizzonte degli eventi, la stella condannata inizierà a sperimentare forze mareali . La gravità diventa più forte più ci si avvicina a un oggetto massiccio, quindi il lato della stella più vicino al buco nero sentirà forze gravitazionali più forti rispetto al suo lato lontano. La stella inizierà ad allungarsi, e alla fine, a un confine chiamato raggio mareale, la differenza di attrazione tra i due lati della stella sarà maggiore della forza gravitazionale che tiene insieme la stella.

La stella si srotola lungo la sua direzione di movimento in un processo chiamato “spaghettificazione” – cambiando prima da una sfera in un ovale e poi diventando una lunga stringa di materiale che assomiglia a un sottile filo di pasta. Man mano che la densità della stella diminuisce, la sua fusione interna si ferma, e una stella che avrebbe potuto bruciare per miliardi di anni si srotola in poche ore.

Risolvere il mistero di questi rigurgiti potrebbe rivelare nuovi segreti sulla fisica degli ambienti più estremi dell’universo. Come notato dai ricercatori del SETI Institute e Harvard , questi eventi rappresentano una nuova sonda della materia sotto gravità forte e hanno aperto una nuova finestra per studiare la fisica dell’accrescimento in condizioni estreme.

I ricercatori stanno ora esplorando diverse teorie per spiegare questi ritardi misteriosi. Forse il disco di accrescimento si forma molto più tardi di quanto si pensasse in precedenza, o forse i buchi neri creano fluttuazioni di densità insolite nei loro ambienti. I bagliori potrebbero essere causati da nubi di polvere che interagiscono, o forse un bozzolo di materiale intorno al buco nero ritarda il flusso di emissione radio fino a dopo.

Con l’avvento di nuove tecnologie come il Vera C. Rubin Observatory , attualmente in costruzione in Cile, si prevede che nei prossimi anni saranno osservate centinaia di TDE. Questo potrebbe portare a una comprensione molto più profonda di questi fenomeni misteriosi.

Come conclude Cendes: “Significherebbe che abbiamo un regime completamente nuovo per studiare la fisica dei buchi neri che non avevamo prima! Dal momento che non possiamo testare la fisica estrema intorno a loro sulla Terra, avere una nuova finestra sul loro comportamento fuori dalla Terra è sempre emozionante.”

I “rutti” dei buchi neri potrebbero quindi non essere solo curiosità cosmiche, ma finestre privilegiate per comprendere alcuni dei fenomeni più estremi e misteriosi dell’universo, potenzialmente riscrivendo la nostra comprensione della fisica in condizioni impossibili da replicare sulla Terra.