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Ecco come muore una stella assorbita da un buco nero

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Nel 2019, gli astronomi hanno osservato una stella frantumata, o per meglio dire “spaghettificata”, dopo essersi avvicinata troppo a un enorme buco nero. L’interruzione delle maree di una stella simile al Sole da parte di un buco nero è avvenuta a 215 milioni di anni luce dalla Terra.

Questo è stato il primo evento del genere abbastanza luminoso di cui gli astronomi dell’Università della California, a Berkeley, hanno potuto esaminare la luce ottica della morte stellare, in particolare la polarizzazione della luce, per saperne di più su cosa è successo dopo che la stella è stata fatta a pezzi.

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Le osservazioni dell’8 ottobre 2019 suggeriscono che gran parte del materiale della stella è stato spazzato via ad alta velocità – fino a 10.000 chilometri al secondo – e ha formato una nuvola sferica di gas che ha bloccato la maggior parte delle emissioni di energia prodotte quando il buco nero ha divorato il resto della stella.

In precedenza, altre osservazioni alla luce ottica dell’esplosione, chiamata AT2019qiz, hanno rivelato che gran parte della materia della stella è stata lanciata verso l’esterno da un vento potente. Tuttavia, i nuovi dati sulla polarizzazione della luce, che era essenzialmente zero alle lunghezze d’onda visibili o ottiche quando l’evento era al massimo, suggeriscono agli astronomi che la nuvola era inizialmente, molto probabilmente una sfera simmetrica.

Questa è la prima volta che qualcuno deduce la forma della nuvola di gas attorno a una stella spaghettificata dalle maree“, ha affermato Alex Filippenko, professore di astronomia della UC Berkeley e membro del team di ricerca.

I risultati supportano una risposta al motivo per cui gli astronomi non vedono radiazioni ad alta energia, come i raggi X, da molte delle dozzine di eventi di interruzione delle maree osservati fino ad oggi: i raggi X, che sono generati da materiale strappato dalla stella e trascinati in un disco di accrescimento attorno al buco nero prima di cadere verso l’interno, sono oscurati alla vista dal gas soffiato verso l’esterno dai potenti venti del buco nero.

Perturbazione mareale della stella da parte di Massive Black Hole

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Se una stella (scia rossa) si avvicina troppo a un buco nero (a sinistra), può essere distrutta, o spaghettificata, dall’intensa gravità. Parte della materia della stella vortica intorno al buco nero, come l’acqua in uno scarico, emettendo abbondanti raggi X (blu). Studi recenti su questi cosiddetti eventi di interruzione delle maree suggeriscono che una frazione significativa del gas della stella viene spinta verso l’esterno dai venti intensi del buco nero, creando in alcuni casi una nuvola che oscura il disco di accrescimento e gli eventi ad alta energia che si verificano all’interno . Credito: NASA/CXC/M. Weiss

Questa osservazione esclude una classe di soluzioni che sono state proposte in teoria e ci dà un vincolo più forte su ciò che accade al gas attorno a un buco nero“, ha affermato Kishore Patra, uno studente laureato della UC Berkeley, autore principale dello studio. “Si sono viste altre prove del vento che esce da questi eventi, e penso che questo studio sulla polarizzazione renda sicuramente quella prova più forte, nel senso che non otterresti una geometria sferica senza una quantità sufficiente di vento. Il fatto interessante qui è che una frazione significativa del materiale nella stella che sta spiraleggiando verso l’interno alla fine non cade nel buco nero, ma viene spazzata via dal buco nero“.

La polarizzazione rivela la simmetria

Molti teorici hanno ipotizzato che i detriti stellari formino un disco eccentrico e asimmetrico dopo la rottura. Tuttavia, ci si aspetta che un disco eccentrico mostri un grado di polarizzazione relativamente alto, il che significherebbe che forse una certa percentuale della luce totale è polarizzata. Questo non è stato osservato per questo evento di interruzione delle maree.

Una delle cose più folli che un buco nero supermassiccio può fare è distruggere una stella con le sue enormi forze di marea“, ha detto il membro del team Wenbin Lu, assistente professore di astronomia della UC Berkeley. “Questi eventi di interruzione delle maree stellari sono uno dei pochissimi modi in cui gli astronomi conoscono l’esistenza di buchi neri supermassicci al centro delle galassie e ne misurano le proprietà. Tuttavia, a causa dell’estremo costo computazionale nella simulazione numerica di tali eventi, gli astronomi ancora non capiscono i complicati processi dopo un’interruzione di marea“.

Una seconda serie di osservazioni il 6 novembre, 29 giorni dopo l’osservazione di ottobre, ha rivelato che la luce si era leggermente polarizzata, circa dell’1%, suggerendo che la nuvola si era assottigliata abbastanza da rivelare la struttura asimmetrica del gas attorno al buco nero. Entrambe le osservazioni provenivano dal telescopio Shane di 3 metri al Lick Observatory vicino a San Jose, in California, che è dotato dello spettrografo Kast, uno strumento in grado di determinare la polarizzazione della luce sull’intero spettro ottico. La luce si polarizza – il suo campo elettrico vibra principalmente in una direzione – quando disperde gli elettroni nella nuvola di gas.

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Il disco di accrescimento stesso è abbastanza caldo da emettere la maggior parte della sua luce nei raggi X, ma quella luce deve passare attraverso questa nuvola, e ci sono molti scattering, assorbimenti e riemissione di luce prima che possa fuoriuscire da questa nuvola”, ha spiegato Patra. “Con ciascuno di questi processi, la luce perde parte della sua energia fotonica, scendendo fino alle energie ultraviolette e ottiche. La dispersione finale determina quindi lo stato di polarizzazione del fotone. Quindi, misurando la polarizzazione, possiamo dedurre la geometria della superficie dove avviene la dispersione finale”.

Patra ha osservato che questo scenario può applicarsi solo alle normali interruzioni delle maree, non a quelle insolite in cui getti di materiale relativistico vengono espulsi dai poli del buco nero. Solo più misurazioni della polarizzazione della luce da questi eventi daranno una spiegazione a questo.

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Gli studi sulla polarizzazione sono molto impegnativi e pochissime persone sono abbastanza esperte della tecnica per utilizzarla“, ha affermato. “Quindi, questo è un territorio inesplorato“.

Il team ha riportato queste osservazioni in un articolo che è stato pubblicato sulla rivista Monthly Notice of the Royal Astronomical Society .

Una nuvola 100 volte più grande dell’orbita terrestre

I ricercatori della UC Berkeley hanno calcolato che la luce polarizzata è stata emessa dalla superficie di una nuvola sferica con un raggio di circa 100 unità astronomiche (au), 100 volte più lontano dalla stella di quanto lo sia la Terra dal sole.

Le osservazioni spettropolarimetriche del 2019 – una tecnica che misura la polarizzazione su molte lunghezze d’onda della luce – riguardavano AT2019qiz, un’interruzione di marea situata in una galassia a spirale nella costellazione dell’Eridano. La polarizzazione zero dell’intero spettro di ottobre indica una nuvola di gas sfericamente simmetrica: tutti i fotoni polarizzati si bilanciano a vicenda. La leggera polarizzazione delle misurazioni di novembre indica una piccola asimmetria. Poiché queste interruzioni di marea si verificano così lontano, al centro di galassie lontane, appaiono solo come un punto luminoso e la polarizzazione è una delle poche indicazioni delle forme degli oggetti.

Questi eventi di disturbo sono così lontani che non puoi risolverli davvero, quindi non puoi studiare la geometria dell’evento o la struttura di queste esplosioni“, ha detto Filippenko. “Ma studiare la luce polarizzata in realtà ci aiuta a dedurre alcune informazioni sulla distribuzione della materia in quell’esplosione o, in questo caso, su come si forma il gas – e forse il disco di accrescimento – attorno a questo buco nero“.

Riferimento: “Spectropolarimetry of the tidal disruption event AT 2019qiz: a quasispherical reprocessing layer” di Kishore C Patra, Wenbin Lu, Thomas G Brink, Yi Yang, Alexei V Filippenko e Sergiy S Vasylyev, 24 giugno 2022, Monthly Notice of the Royal Astronomical Società .
DOI: 10.1093/mnras/stac1727

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