Cosmologia nel mirino - 3. É possibile osservare dei fenomeni di gravità forte in azione


    28/08/2008 Nelle regioni dove la gravità è molto forte lo spazio-tempo si incurva significativamente e le velocità orbitali di oggetti e particelle divengono relativistiche. Queste regioni estreme dello spazio tempo circondano principalmente stelle di neutroni e buchi neri. In queste regioni, dove le condizioni diventano via via più estreme all'avvicinarsi dell'orizzonte del buco nero (o della stella di neutroni) in questione, è la relatività generale a descrivere il comportamento di materia e radiazione.

    Fenomeni di gravità forte possono indurre molti effetti osservabili importanti, come l'effetto doppler causato dalle altissime velocità, imponente irraggiamento gravitazionale in vicinanza di oggetti compatti, deviazioni significative dalle orbite kepleriane classiche e redshift gravitazionali per noi osservatori di tali fenomeni. Questi scenari, quindi, possono essere terreno fertile per verifiche (e/o smentite) della relatività generale in prossimità di campo forte, in particolare dallo studio del moto di fotoni e materia a pochi raggi gravitazionali(1).

    Quindi più un oggetto è compatto e tanto più interessante risulta se il suo raggio fisico si avvicina al suo raggio gravitazionale; in particolare gli oggetti, in cui vi sono campi a gravità forte sono responsabili degli eventi più luminosi dell'universo. Oltre allo studio della materia orbitante attorno agli oggetti compatti a pochi raggi gravitazionali, è possibile osservare anche le onde gravitazionali prodotte dalle stelle di neutroni e buchi neri, che coalescono tra di loro, dove la quantità di spin si modifica ad ogni evento di merging e sostanzialmente dipende dalla storia pregressa dei candidati.

    Le stelle di neutroni tendono ad irraggiare molta energia sotto forma di raggi X con righe caratteristiche nei loro spettri affette da redshift gravitazionale. Esse irradiano molto anche nel dominio radio, come avviene per le radio pulsars, le quali vengono usate come precisi orologi per misurare accuratamente gli effetti relativistici nel caso di stelle binarie strette. Quando le binarie con stelle di neutroni sono strette irradiano molta energia sotto forma di onde gravitazionali e riducono sistematicamente il periodo orbitale fino a coalescere con la stella compagna (la configurazione più ottimale per la determinazione di tali quantità relativistiche è un sistema binario con stella di neutroni e buco nero).

    Tramite la coalescenza di un buco nero ed una stella di neutroni le frequenze di irraggiamento nelle onde gravitazionali sono dell'ordine del kHz, e quindi rilevabili da terra con strumenti dedicati, mentre quando due galassie coalescono, il risultato finale è la coalescenza dei due buchi neri centrali, questo evento genera un irraggiamento prodigioso come burst di onde gravitazionali ad una frequenza tipica del milli-Hz, a cui però potranno accedere solo interferometri gravitazionali spaziali.

    Esistono buchi neri di tutte le taglie, da poche masse solari (come stadio finale di vita di una stella supermassiccia), fino a milioni di masse solari (quando risiedono nel centro gravitazionale di una galassia e fagocitano via via tutte le stelle, che si avvicinano troppo). Il centro della nostra galassia, viene identificato con la sorgente SgrA*, che rappresenta un buco nero avente massa milioni di masse solari, che viene costantemente osservato e monitorato per testare gli effetti relativistici e gravitazionali fino a centinaia di raggi gravitazionali.

    Tramite osservazioni nel radio con strumenti interferometrici a grande base (circa 4000Km), come il VLBI, è possibile approcciare il centro galattico fino alla decina di raggi gravitazionali; mentre utilizzando interferometria IR con strumenti come il VLTI e (è meglio eliminare la “dâ€?)le osservazioni X possono testare la dinamica dei blobs di materia, che orbitano attorno ad SgrA*. Ovviamente più la materia, che sta accrescendo il buco nero, si avvicina discendendo verso il suo orizzonte degli eventi, più l'irraggiamento gravitazionale risulta consistente; la parte più luminosa del fenomeno di accrescimento del buco nero risulta essere quella più interna, in cui il campo è nettamente in regime di gravità forte e la radiazione che ne risulta, mostra spesso una variabilità significativa in particolar modo nella banda X dello spettro.

    Le righe del ferro a 6.4 e 6.9 keV rest-frame forniscono una buona diagnosi per paragonare gli effetti gravitazionali dei buchi neri presenti negli AGN vicini rispetto a quelli galattici e per lo studio della loro variabilità in X. Per questi studi i migliori satelliti/strumenti dedicati da affiancare ai già presenti XMM e Chandra, nel futuro prossimo saranno XEUS e Constellation-X, che soddisferanno i requisiti di grande area di collezionamento (radente) dei fotoni e possiederanno delle rapide risposte di monitoraggio per identificare i transienti.

    1. Come si è originato l'universo

    2. Cosa sono la materia oscura e l'energia oscura?

    3. E' possibile osservare dei fenomeni di gravità forte in azione

    4. Quale meccanismo c'è alla base delle esplosioni di supernovae e dei GRBs

    5. Come funziona l'accrescimento, la generazione di jets e gli outflows nei buchi neri?

    6. Cosa si comprende dallo studio dei raggi cosmici altamente energetici

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