Astronomia gamma
Sorgenti di emissioni gamma
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I buchi neri
Laplace intuì che nel cosmo ci potevano essere astri così piccoli e così densi da rendere la velocità di fuga superiore a quella della luce, questo corpo ci sarebbe apparso totalmente nero. L’idea di Laplace era semplice, infatti la velocità di fuga da un corpo è descritta dalla formula:
Nella descrizione di Laplace, rimaneva comunque una possibilità di fuga superando la velocità della luce (questo perché Laplace era a conoscenza solo della relatività Galileiana). 
Con la formulazione, prima della relatività ristretta, e poi di quella generale nel 1915, da parte di Albert Einstein, la velocità della luce diventava un limite invalicabile per ogni forma di energia, massa compresa, e quindi nulla poteva sfuggire a questo astro. In relatività generale non è più corretto parlare di spazio e tempo, le due grandezze si fondono in un’entità quadridimensionale chiamata spaziotempo. La relatività generale afferma che una qualsiasi massa immersa nello spaziotempo lo incurva deformando sia lo spazio sia lo scorrere del tempo. Questo fenomeno provoca l’effetto che noi chiamiamo attrazione gravitazionale. Per un corpo totalmente collassato come un buco nero, lo spaziotempo è così curvo che si richiude su se stesso favorendo la formazione di una sfera immaginaria oltre alla quale non è più possibile ottenere informazioni sui fenomeni che avvengono nell’ interno. Questa sfera prende il nome di orizzonte degli eventi. Ma quanto è grande un buco nero? Non ha senso parlare di dimensioni del buco nero perché esso è costituito dalla singolarità al centro dell’orizzonte degli eventi, questa singolarità ha dimensioni nulle e non la possiamo né vedere né misurare. L’unica informazione che da essa possiamo ottenere è la massa perché misurano gli effetti gravitazionali nello spazio esterno all’orizzonte degli eventi. Molto importante è invece il raggio dell’orizzonte degli eventi calcolato per la prima volta da Carl Schwarzschild nel 1915 (da cui prende il nome) che vale:
Mentre è possibile calcolare il raggio di Schwarzschild per qualunque massa non tutti gli oggetti celesti possono diventare buchi neri. Infatti è possibile verificare che se comprimessimo la Terra un una sfera di raggio di 9 millimetri anche il nostro pianeta si comporterebbe come un buco nero ma, tanto Terra che Sole, non potranno mai essere buchi neri. Come si formano i buchi neri? Quando, nel centro delle stelle, le reazioni termonucleari si esauriscono, non esiste più alcuna sorgente di energia per opporsi alla contrazione gravitazione del gas che costituisce gli strati esterni delle stelle. Il collasso di una stella di massa paragonabile a quella del Sole, termina con la formazione di una nana bianca (raggio ~10000 km). Nel caso di stelle di massa maggiore, solo la pressione del gas di neutroni degeneri può resistere alla forza gravitazionale. La contrazione del nucleo prosegue fino a formare una stella di neutroni. Per le stelle più massicce, il cui nucleo supera le 3,2 masse solari (limite di Volkov-Oppenheimer), nulla può fermare il collasso: il campo gravitazione diventa così elevato che, al di la di un certo raggio critico (qualche km), la stessa luce non può più uscire. La stella è diventata un buco nero. Se i buchi neri non sono osservabili come posso trovarli e dimostrare sperimentalmente la loro esistenza? Il criterio più sicuro per ipotizzare che un oggetto celeste sia un buco nero è basato sulla stima della sua massa.
Gli oggetti compatti con massa maggiore di 3 masse solari non possono più essere stelle di neutroni: si parla di candidati buchi neri. Oltre ai buchi neri stellari, gli astrofisici ipotizzano l’esistenza di buchi neri di massa molto più grande, tra 106 e 109 masse solari, che sarebbero all’origine dell’emissione dei nuclei galattici attivi. Poiché nessun segnale può uscire da un buco nero, l’unico modo che abbiamo per rilevarne la presenza è l’osservazione degli effetti gravitazionali sulla materia circostante. Ecco che diventano importanti i dischi di accrescimento dei buchi neri presenti nei sistemi binari e i getti di materia prodotti dai nuclei galattici. In entrambi i casi i dischi di accrescimento di questi astri collassati raggiungono temperature di diverse milioni di gradi, diventando forti emettitori di raggi X e attraverso processi diversi emettitori anche di raggi gamma. Le stelle gamma in accrescimento rappresentano la componente più numerosa della famiglia delle stelle gamma note fino ad oggi. Chiamiamo stelle gamma le sorgenti rivelate al di là di 50 keV, la cui luminosità è imputabile all’accrescimento di materia su una stella di neutroni o su un buco nero di massa stellare. La stella collassata emette molto poco, nel caso delle stelle di neutroni, o per niente, nel caso dei buchi neri. Esercita, però, una forte attrazione gravitazionale sulla materia che le passa vicino. Nel caso la stella collassata appartenga ad un sistema binario, caratterizzato dall’avere l’altra componente in fase di gigante, gli strati esterni della stella compagna possono, in alcuni casi, essere risucchiati dall’attrazione gravitazionale dalla stella compatta, intorno alla quale si forma allora una corona di plasma che prende il nome di disco di accrescimento.
Fenomeni violenti, riconducibili all’attrito, innalzano la temperatura del disco e producono intensa emissione di radiazione di alta energia. Il tasso di accrescimento, e quindi la quantità di energia che può essere dissipata da un disco di accrezione, è limitata da un meccanismo regolatore. La quantità di energia irradiata non può normalmente superare il limite di Eddington, al di là del quale la pressione della radiazione emessa è tale da bloccare il flusso della materia che cade sulla stella collassata . Non è tuttavia sufficiente che una stella collassata abbia un disco di accrescimento per diventare una sorgente di raggi gamma. La materia stessa del disco è una barriera per i fotoni di alta energia prodotti. In questo caso, l’energia media dei fotoni che emergono dal disco è circa 1 keV, in pieno nell’intervallo dei raggi X, come testimonia la lunga lista delle sorgenti X scoperte dal satellite americano Uhuru, identificate come sistemi binari di questo tipo.
Raggi gamma di bassa energia possono essere prodotti anche a seguito dell’effetto Compton inverso, quando l’equilibrio termico del disco è governato dalla diffusione Compton dei fotoni sul gas di elettroni caldi. Se l’oggetto compatto è una stella di neutroni, la sua superficie, scaldata dall’intensa emissione del disco di accrezione, riemette verso il disco un notevole flusso di fotoni X di bassa energia, la diffusione Compton dei quali contribuisce ad abbassare la temperatura degli elettroni del disco. Se l’oggetto compatto è, invece, un buco nero non riemette nulla. Il disco di accrezione non può più essere raffreddato con la diffusione Compton dei fotoni. Lo spettro dell’emissione può andare largamente al di là di 100 keV.
Qualcuna delle stelle gamma in accrescimento è stata promossa a candidato buco nero solo in base all’abbondante flusso gamma. E’ il caso di 1E1740.7-2942, una sorgente gamma che merita un’attenzione particolare, poiché è localizzata nelle vicinanze del centro dinamico della nostra galassia. In effetti, a partire dalla fine degli anni 70, diversi spettrometri semiconduttori al Ge, capaci di grande risoluzione in energia, hanno rivelato una riga strette a 511 keV, risultato dell’annichilazione elettrone positrone, nello spettro dell’ emissione gamma proveniente dalle regioni centrali della galassia. La variabilità di una parte dell’emissione a 511 keV aveva fatto supporre l’esistenza di una sorgente, localizzata nelle regioni centrali della galassia, sede di processi estremamente energetici capaci di generare quantità sufficienti di positroni. Tra il 13 ed il 14 ottobre 1990 la sorgente mostrò un eccesso di conteggi tra 300 e 600 keV. Questa crescita di emissione è probabilmente dovuta all’annichilazione di positroni prodotti da un plasma di elettroni e positroni confinati nelle zone più centrali di un disco di accrezione
La metrica dei buchi neri (PDF) - Livello università Come si formano i buchi neri (PDF) - Livello Università
