Quanta massa ci vuole per formare un buco nero?

La domanda posta dal titolo sembrerebbe già avere una risposta leggendo i testi di astrofisica. Lo studio dell’ammasso aperto denominato Westerlund 1 pone invece nuovi dubbi e potrebbe alzare il valore critico della massa necessaria o, quantomeno, far rivedere le modalità evolutive delle ultime fasi stellari.

Il VLT dell’ESO ha studiato a fondo l’ammasso aperto Westerlund 1 e in particolare un magnetar (un tipo particolare di stella di neutroni) concludendo che quest’ultimo oggetto doveva provenire da una stella con una massa di almeno 40 volte quella del Sole. Normalmente si pensa che una massa del genere debba portare a un buco nero e invece in questo caso abbiamo soltanto una stella di neutroni. Facciamo allora un po’ di chiarezza sul problema.

L’ammasso Westerlund 1 è stato scoperto solo nel 1961, dato che è immerso in un’enorme nube interstellare di gas e polvere e quindi è rimasto “nascosto” a lungo. E’ relativamente vicino (16000 anni luce da noi) e si trova nella costellazione australe dell’Altare. Esso rappresenta un laboratorio eccezionale per lo studio della fisica stellare estrema. Si stima che contenga almeno 100000 stelle racchiuse in uno spazio inferiore ai 6 anni luce. E’ quindi giovanissimo e si ha la certezza che tutte le sue stelle siano nate insieme, ossia abbiano tutte un’età compresa tra 3,5 e 5 milioni di anni. Questo dato è importantissimo, in quanto lo stadio evolutivo dei singoli astri ci può dare informazioni molto precise sulla loro massa. Ricordiamo infatti che più una stella è grande e prima raggiunge la sua fine.

Le masse delle stelle dell’ammasso finora studiate sono tutte molto grandi, dell’ordine di 30-40 masse solari. Se il Sole si trovasse nel cuore del gruppo avremmo delle notti illuminate da centinaia di stelle più luminose della Luna Piena. Meriterebbe un viaggio… Ma torniamo all’età e alle massa del nostro “magnetar”. Innanzitutto, ricordiamo che si chiama magnetar una stella di neutroni che abbia un $campo$ magnetico incredibilmente forte, dell’ordine di milioni di miliardi di volte quello terrestre. Tutte le stelle di Westerlund 1 hanno, come già detto, la stessa età, ragion per cui la stella che ha dato origine al magnetar, dovendo già essere esplosa ha avuto una vita più breve di quella delle sue compagne ancora vive. La relazione massa-età ci dice allora che doveva essere più massiccia delle sorelle. Se si fosse riusciti a misurare la massa di una delle compagne più grandi si sarebbe quindi stati sicuri che la massa originaria della progenitrice del “magnetar” sarebbe stata una stella di massa sicuramente superiore. L’occasione è stata fornita da un sistema doppio (W13). In questi casi è immediato avere le masse delle componenti attraverso il moto orbitale. La conclusione è stata sorprendente: il magnetar doveva essersi formato da una stella di almeno 40 masse solari. Per la prima volta si era osservato che questi oggetti peculiari potevano essere nati da stelle che normalmente dovrebbero portare a un buco nero. Ricordiamo infatti che le teorie accettate normalmente dicono che stelle di neutroni (e quindi anche i magnetar) dovrebbero formarsi da stelle comprese tra 10 e 25 masse solari. Dopo questo valore la fine dovrebbe essere un buco nero.

Una possibile spiegazione, che aprirebbe nuove strade sulla fenomenologia delle ultime fasi stellari, ipotizza che il progenitore del magnetar sia nato con una compagna. Durante l’evoluzione il sistema doppio iniziò ad interagire e l’energia derivata dal cambiamento del loro moto orbitale venne spesa soprattutto nell’espulsione di una enorme quantità di massa originale, $superiore$ a quella relativa alle normali $fasi$ di pre-supernova. La perdita di massa potrebbe essere così stata anche $superiore$ al 95% e quindi la massa finale al momento dell’esplosione molto ridotta e incapace di arrivare alla massa critica di un buco nero (circa 3 masse solari). A questo punto vale la penda di fare una piccola osservazione che potrebbe essere utile a molti: non si deve confondere la massa della stella originaria e la massa della stella dopo l’esplosione. Per poter dare origine ad una supernova è necessario avere una massa originaria almeno 8 volte quella del Sole. Per produrre un buco nero è necessario che la massa dopo l’esplosione sia $superiore$ a 3 masse solari. Dato che le stelle in fase pre-supernova perdono poco più del 90% della loro massa, ecco che per arrivare a essere buco nero la stella iniziale dovrebbe essere di almeno 25 masse solari.

Resta il fatto che non si vede più la compagna, ma essa potrebbe essere stata scagliata lontano al momento dell’esplosione della supernova. Se questa ipotesi fosse vera (e al momento non ci sono alternative) vorrebbe dire che l’evoluzione finale di una stella sarebbe fortemente legata al fatto di essere o non essere in un sistema doppio. Il “matrimonio” guiderebbe in modo fondamentale la perdita di massa e quindi la struttura di ciò che rimarrebbe dopo la morte.

rappresentazione artistica dell’ ammasso aperto Weterlund 1

Questa rappresentazione artistica mostra il magnetar del ricchissimo e giovane ammasso aperto Weterlund 1. L’ammasso contiene centinaia di stelle super massicce, alcune luminose come un milione di Soli. Misure molto accurate hanno dimostrato che la stella originaria che ha dato origine alla stella di neutroni doveva avere una massa di almeno 40 masse solari. Questo fatto pone nuove sfide agli studiosi dell’evoluzione stellare, in quanto le teorie odierne dicono che con tali masse la fine dovrebbe essere un buco nero. (Fonte: ESO/L. Calçada)

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12 Commenti

  1. Secondo la mia modesta opinione e che vado ripetendo da anni, è che le stelle non si trasformano mai in buchi neri. Le stelle di grande massa o lasciano una stella di “neutroni”(?) o solo materia che si espande nello spazio. Ripeto, è solo una mia opinione, ma mi sembra di capire che gli astrofici si arrampicano un po sugli specchi, alzando l’asticella di volta in volta. Credo che sia ora che anche loro inizino a studiare scenari alternativi.
    Saluti
    Sandro

  2. Sugli scenari alternativi penso anche io che sia meglio, daltronde la scienza si è evoluta proprio così: con nuove teorie e con le graduali verifiche delle stesse. Adesso, con nuovi strumenti si corre un po’ e quindi nuovi scenari si presentano in modo più rapido.

  3. Tempo fa, su “le Scienze”, in un articolo si ipotizzava che, nel caso in cui la stella in collasso avesse una rotazione velocissima, essa poteva non diventare un buco nero, ma trasformarsi in una stella di neutroni a forma di “pallone da rugby” (testuale), avente due singolarità sugli estremi dell’asse di rotazione.
    Se non sbaglio, una magnetar è una stella di neutroni con un fortissimo campo magnetico e una elevata rotazione …..

  4. cari amici,
    il buco nero non è una idea limite, ma un fatto comprovato dalle osservazioni. Le stelle a neutroni EMETTONO luce o altre radiazioni energetiche. I buchi neri NO per definizione e ormai se ne sono osservati a iosa. I magnetar sono sempre solo e soltanto delle stelle a neutroni, la cui massa è inferiore a quella necessaria a formare un buco nero. Sui magnetar sta per uscire un articolo…
    Per Sandro, in particolare, riguardo ai buchi neri nessuno si arrampica sugli specchi: previsti dalla teoria sono ormai stati chiaramente osservati a causa della materia che li circonda o che viene scagliata all’esterno senza vedere alcuna sorgente, ma calcolandone la massa. Questa è ovviamente una prova inconfutabile della loro presenza. 😕

  5. Un’ulteriore possibilità potrebbe essere che prima “nasca” una stella di neutrini e poi, catturando altre stelle o materia varia, si presentino le condizioni per la trasformazione in buco nero…. e questo processo sarebbe ancor più facile/rapido se la stella fosse un magnetar.
    La mia è solo una supposizione, ma in caso venisse comprovata vorrei mi fosse riconosciuto il merito :mrgreen:

  6. @Enzo.
    Scusa Enzo, ma probabilmente è colpa mia che non sono stato chiaro. Non ho affermato che i buchi neri non esistono, ma che le “singole” stelle non creano buchi neri. Penso che i buchi neri che dici tu sono quelli presenti nel centro delle Galassie dove le masse in gioco sono ben oltre le singole stelle e dove è possibile verificare la loro presenza. Ma di stelle singole che sono diventate buchi neri, per quello che ne so io naturalmente, non ci sono prove. Attenzione poi: non è detto che i buchi neri al centro delle galassie si siano formate per collasso gravitazionale solo perchè è previsto dalla teoria. Secondo me è tutto da dimostrare….. come la materia oscura e altro.
    Spero di essere stato più chiaro e grazie comunque per le tue precisazioni.

    Sandro

  7. WooooW non sapevo perdessero il 90% della materia prima di collassare in stella neutronica o buco nero che sia… Chissà che spettacolo di aurore si gusterebbero da un pianeta nelle vicinanze!

  8. @Sandro,
    no,no, avevo capito benissimo… Ma devo contraddirti: si conoscono molti sistemi doppi stellari, dove la mangiatrice di materia NON si vede e questa altro non è che un buco nero e non una stella di neutroni che invece dovrebbe vedersi. Ormai le prove (indirette ovviamente per la definizione stessa) ci sono e ben documentate.

  9. @Enzo
    bene Enzo, visto che questo dibattito si sta facendo, almeno per me, molto interessante, se non ti dispiace vorrei aggiungere alcune precisazioni. Se non ho afferrato male, tu dai per scontato che se “non si vede” la stella di neutroni deve esserci per forza un buco nero. Ad essere sinceri tu hai detto che “dovrebbe” vedersi. In effetti il problema forse è proprio qui. Vista la difficoltà a rilevare direttamente l’eventuale stella di neutroni, causa dimensioni e distanze, ci si avvale dei satelliti che rilevano i raggi X. Questo metodo, che conosci molto meglio di me, ha consentito di trovare anche altri sistemi binari in altre galassie vicine alla nostra. Ma questa ricerca si basa soprattutto sulla quantità di radiazione X proveniente dall’oggetto studiato in funzione anche della distanza stimata dell’oggetto in esame. Se la quantità X è sopra ad un certo valore è probabile la presenza di un buco nero. Domanda: altrimenti? E se le distanze non fossero poi così corrette? Ci apparirebbe che l’oggetto emette più radiazione di quanto effettivamente dovrebbe e ciò lo “candida” a buco nero. Visto che si da troppo spesso per scontate le distanze calcolate, mal considerando in virtu le numerose incertezze, anche evidenziate evidenziati in diversi articoli astronomici di approndimento e che il valore della radiazione X presa a riferimento affinche l’oggetto sia considerato un buco nero non è certo facile da dimostrare, secondo sempre il mio modesto parere, l’accertata presenza di buchi neri stellari mi pone forti dubbi.
    Comunque vada mi ha fatto piacere affrontare con te questo argomento.

    Saluti

  10. @Sandro,
    che devo dirti tutto è possibile, ovviamente… Vi era una volta un mio collega (che poi ha cambiato mestiere e si è dato alla politica), che aveva riscritto tutte le equazioni del moto cambiando la legge di Newton. E trovava anche cose interessanti…ma, perchè andare contro teorie e prove osservative che permettono di spiegare ciò che si vede con i vari occhi a disposizione? I buchi neri sono previsti da una teoria che ha già avuto mille conferme. Molti oggetti celesti confermano la loro esistenza. Non vedo perchè dovrei eliminarli o tentare spiegazioni alternative finchè non troverò vere discordanze osservative. D’altra parte se esistono buchi neri galattici non vedo perchè non devono esistere quelli stellari. L’articolo precedente non dà prove contro la loro esistenza, ma solo sulla perdita di massa che si può verificare durante la fase precedente a quella di supernova. Troppo poco per sentire il bisogno scientifico di rivoluzionare teorie e evidenze osservative. Almeno per me, ovviamente….

  11. @Enzo
    (Non vedo perchè dovrei eliminarli o tentare spiegazioni alternative finchè non troverò vere discordanze osservative).

    Ma infatti Enzo non ti ho chiesto questo e mi dispiace se ho dato l’impressione di forzare la mano. Il dibattito è piacevole quando ognuno serenamente espone le proprie idee. Se si facessero commenti a senso unico saremmo come dei somari con i paraocchi, o no? La scienza non è e non deve essere una religione, un dogma. Ci sono sempre pensieri alternativi.

  12. OK Sandro,
    pienamente d’accordo. Io mi riferivo soltanto al fatto che le conferme osservative sui buchi neri sono tali da non aver bisogno (almeno per il momento) di ipotesi alternative… Tutto qui 😛