Identikit di un buco nero

Vive dentro Cygnus X-1

di Diletta Martinelli

Dai libri di divulgazione fino a Star Trek, i buchi neri sono sempre stati tra gli oggetti astronomici che hanno più stuzzicato la curiosità del grande pubblico, anche perché di loro sappiamo poco o nulla (peraltro in perfetta sintonia con il loro nome). Quanto pesa un buco nero? Come nasce? Si muove nella galassia o se ne sta fermo aspettando che un incauto pianeta gli cada addosso? Ora per la prima volta nuove e più precise misure della distanza hanno permesso di rispondere a questi interrogativi almeno in un caso. E si è arrivati a un vero proprio identikit del buco nero appartenente al sistema binario Cygnus X-1, riuscendo a calcolarne la massa e la velocità di rotazione.

Succhia materia e sputa raggi X. E noi qui a osservarli. (Cortesia: Chandra X-Ray Observatory/NASA)

Il nostro principale strumento per osservare l’universo è la radiazione elettromagnetica a varie lunghezze d’onda. E’ chiaro quindi quanto risulti difficile studiare i buchi neri, corpi con una densità talmente elevata da produrre un campo gravitazionale a cui niente può sfuggire, neanche la luce. Proprio studiando la radiazione elettromagnetica, circa una cinquantina di anni fa è stato scoperto Cygnus X-1 come sorgente di raggi X. Cygnus X-1 è un sistema binario nella costellazione del Cigno, formato da un buco nero stellare che sottrae materia da una stella compagna accrescendo la propria massa. Finora non si era riusciti a scoprire nessuna sua caratteristica intrinseca: il problema principale era determinarne la distanza. Di cui ora è stata data una stima precisa grazie alle osservazioni compiute durante il 2009 e il 2010 dai dieci radiotelescopi del National Science Foundation’s Very Long Baseline Array (VLBA) distribuiti tra le Hawaii e St. Croix, nei Caraibi. Risultato: Cygnus X-1 si trova a 6.070 anni-luce, mentre le stime precedenti erano all’interno di un intervallo tra 5.800 e 7.800. Ottenuta la misura, gli scienziati hanno sfruttato i dati raccolti da più di 20 anni nella banda di lunghezze d’onda del visibile e dei raggi X grazie al Chandra X-Ray Observatory, al Rossi X-Ray Timing Explorer e all’Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics. Così sono riusciti a calcolare che il buco nero è circa 15 volte più massiccio del nostro Sole e che la sua velocità di rotazione è di più di 800 giri al secondo. Hanno commentato entusiasticamente i risultati Jerry Orosz, della San Diego State University, e Mark Reid, dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), che insieme a Lijun Gou, anche lui del CfA, hanno sottoposto tre articoli sull’argomento su “The Astrophysical Journal Letters”.

Non essendo possibile nessuna osservazione diretta, le informazioni che ci permettono di caratterizzare un buco nero sono molto poche. Solo tre: massa, velocità di rotazione e carica elettrica. Per Cygnus X-1 la carica elettrica è circa zero, quindi le misure fatte hanno permesso di dare una descrizione completa del buco nero. In particolare la velocità di rotazione è paragonabile a quella degli altri buchi neri osservati e la massa trovata lo rende uno dei buchi neri stellari più massicci della Via Lattea.

Le misurazioni fornite dal VLBA hanno permesso di far luce anche sul mistero della nascita di Cygnus X-1, avvenuta circa 6 milioni di anni fa. Sembrerà strano, ma anche i buchi più neri un tempo erano chiare e luminose stelle. Per tutta la vita, una stella è soggetta all’azione del campo gravitazionale che tende a comprimerla verso l’interno. Però le reazioni di fusione nucleare che avvengono nel nucleo riescono a produrre una pressione verso l’esterno che mantiene la stella in equilibrio. Quando il combustibile (dapprima l’idrogeno e poi gli elementi via via più pesanti, fino ad arrivare al ferro) si esaurisce, la forza gravitazionale rimane incontrastata e la stella inizia a collassare. Il suo destino è legato alla sua massa. Al nostro Sole toccherà una sorte non troppo violenta: si spegnerà diventando una nana bianca. Per stelle più grandi invece, con una massa superiore a 8 volte la massa del Sole e con un nucleo più grande di 1,8 masse solari, il collasso non si arresta. Contemporaneamente i gusci più esterni vengono espulsi in una gigantesca esplosione, dando luogo a una supernova. E alla fine rimane un buco nero, concentrato e densissimo: una vera e propria singolarità.

Le nuove misure su Cygnus X-1 hanno anche permesso di calcolare la velocità con cui si muove intorno al centro della nostra galassia. Se si fosse originato da un’esplosione di supernova, avrebbe ricevuto una spinta iniziale che lo avrebbe spedito in orbita con una velocità molto maggiore di quella rilevata. Un’altra possibilità di formazione è all’interno di un sistema binario formato da una nana bianca che, pur avendo una massa iniziale troppo bassa per degenerare in un buco nero, sottrae materiale dalla compagna fino a superare una massa critica e proseguire verso un collasso incontrastato.

Speriamo che Cygnus X-1 sia solo la prima pagina di quello che potrebbe diventare un vero e proprio catalogo di tutti i buchi neri del nostro universo.