La stella ed il buco nero: un caso da CSI

Parafrasando il significato reale potremmo trascrivere la sigla CSI come acronimo di Cosmic Scene Investigation. Abbiamo un morto, un killer e degli investigatori, alquanto atipici a dire il vero essendo i protagonisti una stella, un buco nero e gli astronomi, rispettivamente.
Un "delitto in quasi-diretta", considerando le distanze. Quello che si osserva oggi è in realtà avvenuto circa 2,7 miliardi di anni fa, quando la Terra era un pianeta nella sua prima infanzia, alquanto inospitale.
Nel 2010 le prime evidenze dell'evento crimimoso: un buco nero nell'atto di risucchiare una stella.
Le prove: il gas e le radiazioni sfuggite alla distruzione giunte ora a fino a noi come l'urlo di una stella morente. Tutto iniziò quando il satellite Swift osservò una emissione massiccia e prolungata (per circa due giorni) di raggi gamma provenienti da un punto al di fuori della nostra galassia, le cui caratteristiche erano in accordo con la cattura di una stella ad opera di un buco nero di massa circa 3 milioni di volte quella del sole.

Simulazione: il gas di una stella catturato da un buco nero
®NASA, S. Gezari, A. Rest, and R. Chornock

Se in passato si erano trovate solo le tracce dell'evento, con questa osservazione fu possibile vedere l'ombra del killer in azione. Ora un articolo pubblicato su Nature ci fornisce i dati derivanti dalle osservazioni del telescopio spaziale Galex e di quello a terra Pan-STARRS. Risultato? E' stato possibile identificare anche la vittima, cioè una stella ricca di elio (quindi una stella in una fase avanzata).

Secondo quanto affermato dagli astronomi i buchi neri supermassicci inglobano le stelle solo molto raramente, circa una volta ogni 10 mila anni per ogni galassia. Quando una stella viene catturata, alcune parti di essa "cadono" all'interno del buco nero mentre il rimanente viene espulso a velocità molto elevate, finendo così per essere rilevato.

Le fasi che portano alla emissione di raggi gamma (@NASA/Goddard Space Flight Center/Swift)

E' stato grazie all'analisi della lunghezza d'onda prevalente nel gas se è stato possibile risalire alla composizione stellare. Questo non è dato secondario. L'abbondanza di elio, in genere presente a livelli molto inferiori a quelli dell'idrogeno, fa pensare che ad essere catturato sia stato il nucleo della stella. Anche le stelle più anziane come le giganti rosse, che hanno consumato il combustibile di base (e che richiede meno energia per essere "acceso"), cioè l'idrogeno, nella parte centrale della stella dove avviene la reazione di fusione, mantengono una certa preponderanza di idrogeno nelle zone più esterne proprio a causa del fatto che la temperatura in quelle zone è insufficiente ad innescare reazioni nucleari. Se quindi la radiazione emessa è compatibile con la cattura di elio da parte del buco nero, allora vuol dire che è proprio il nucleo stellare ad essere stato catturato, magari dopo che tutto l'involucro esterno era già stato prelevato.

Nota. Quando l'idrogeno nel nucleo di una stella non è più sufficiente a mantenere la fusione nucleare a livelli tali da sostenere la massa soprastante, la stella collassa ed acquista così energia sufficiente a fare iniziare la fusione dell'elio. Evito qui di addentrarmi in concetti importanti come le condizioni fisiche del gas di elettroni degeneri presenti nel nucleo stellare. Diciamo solo che grazie alla possibilità di accendere l'elio si ha una nuova espansione che porta la stella a dimensioni circa 100 volte maggiori (gigante rossa appunto) di quelle orginarie, ma che la rende anche più vulnerabile negli strati esterni alle forze di marea del buco nero che comincia a strappare l'involucro esterno di idrogeno. Ultima notazione riguarda il fatto che non è il buco nero a catturare la stella ma è la stella che essendosi modificata diviene facile preda di un buco nero. Per fare un esempio, se al posto del Sole comparisse improvvisamente un buco nero (la dimensione teorica sarebbe quella dell'isola di Manhattan) la Terra continuerebbe nella sua orbita ... al buio. In questa ipotesi, la massa "centrale" sarebbe infatti identica tra Sole e buco nero, quindi anche l'attrazione gravitazionale rimarrebbe identica.

Quando la stella si avvicina al buco nero ad una distanza stimata intorno a 1/3 unità astronomiche (circa la distanza fra Sole e Mercurio) le forze sono tali da provocarne la disgregazione; il conseguente flusso di gas elio che precipita oltre "l'orizzonte degli eventi".

Nota. Per ulteriori informazioni sul fenomeno delle forze di marea a livello planetario è utile studiarsi il Limite di Roche per quanto riguarda la distanza minima tra due corpi prima che la forza gravitazionale del più massicio superi la forza gravitazionale "aggregativa" che tiene integro il più piccolo. Altra cosa interessante da studiare è la cosiddetta Sfera di Hill che invece analizza le dimensioni della sfera di influenza gravitazionale di un corpo celeste rispetto alle perturbazioni di un altro corpo, di massa maggiore, attorno al quale esso orbita.

 Con la prossima entrata in funzione del Large Synoptic Survey Telescope la scena del crimine si arricchirà di nuove informazioni.

 Un video sull'argomento generale

Un ottimo link di divulgazione astronomica è quello di Space.com