Rappresentazione artistica di GX 339-4 (ESA/ATG medialab)
Non si fa a tempo a rispondere a una domanda che se ne apre un’altra. D’altronde i buchi neri, gli oggetti più densi dell’Universo, sono un vero concentrato di punti interrogativi per gli astrofisici. Ora l’osservatorio orbitante Herschel dell’ESA (ormai agli sgoccioli della sua vita scientifica) ha contribuito a chiarire diversi dubbi su un fenomeno che tipicamente li accompagna: la formazione di potenti getti di particelle ad alta energia, che dal disco di accrescimento del buco nero vengono sparate ad altissime velocità nello spazio.
Per la prima volta, Herschel è riuscito a studiare questi getti nella lunghezza d’onda del lontano infrarosso, giù fino alla base del getto, il punto da cui partono le particelle. Oggetto dello studio è GX 339-4, un sistema binario che comprende un buco nero della massa di circa 7 masse solari e una piccola stella da cui il buco nero risucchia massa. È uno dei buchi neri di massa stellare meglio conosciuti, ma finora la sua emissione era stata studiata nelle lunghezze d’onda radio, X, ottiche e del vicino infrarosso: mai nella porzione di spettro che va dalle onde radio al vicino infrarosso, una gamma di lunghezze d’onda in cui esistono pochissime informazioni sui buchi neri di massa stellare.
“Lo studio in più lunghezze d’onda è fondamentale per esplorare i dintorni dei buchi neri, perché regioni diverse emettono energia a lunghezze d’onda diverse. Grossomodo, il disco di accrescimento emette soprattutto in raggi X, mentre i getti soprattutto in onde radio. Ma la base dei getti, più vicino al buco nero, emette a lunghezze d’onda più corte delle onde radio, fino all’infrarosso. E’ qui che il contributo di Herschel è stato cruciale” spiega Stéphane Corbel del laboratorio AIM, in Francia, che ha coordinato lo studio.
Gli astronomi hanno iniziato a studiare GX 339-4 con Herschel dopo aver rilevato cambiamenti nella sua emissione X, che segnalavano come la fase di outburst di questa sorgente, in corso da mesi, fosse sul punto di terminare. La fase di outburst è quella in cui il buco nero produce getti molto brillanti nelle onde radio e che si estendono fino a 10.000 Unità astronomiche. Quando termina l’outburst, i getti diventano più corti e l’emissione radio cala.
“Crediamo che gli outburst si producano quando abbastanza materiale si accumula nel disco di accrescimento: proprio come una diga che non riesce più a contenere l’acqua, il materiale causa un’enorme aumento di energia dalla sorgente” spiega sempre Corbel.
Herschel ha permesso per la prima volta di studiare la comparsa dei getti più compatti che caratterizzano la fine della fase di outburst, e di seguire la loro evoluzione, studiando l’emissione fino alla base vicino al buco nero.
I dati di Herschel hanno così confermato l’ipotesi, già formulate sulla base delle osservazioni radio, per cui l’emissione dei getti è dovuta a radiazione di sincrotrone (quella che si produce quando particelle cariche viaggiano a velocità vicine a quelle della luce lungo una linea curva, proprio come negli acceleratori di particelle) liberata da elettroni ad alta energia. In particolare, gli elettroni più energetici presenti alla base del getto emettono radiazione nel lontano infrarosso, mentre quelli a più bassa energia sono la causa dell’emissione radio.
Ma i nuovi dati aprono anche nuove domande su quale sia la causa delle emissioni nel vicino infrarosso e nella luce visibile, anch’esse associate ai getti ma che non sembrano avere la stessa origine della radiazione nel lontano infrarosso e radio. Una possibile spiegazione è che i fotoni radio e FIR (Far-InfraRed) sparati nei getti vengano riflessi sul disco, guadagnando ulteriore energia e quindi salendo a frequenze più alte.
Lo studio di S. Corbel, et al., “Formation of the compact jets in the black hole GX 339-4“, 2013, è in corso di pubblicazione su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.