Super Eddington 2016 - Uno Sguardo in Anteprima


Locandina ufficiale di "Breaking The Limits: Super-Eddington Accretion onto Compact Objects". Credit: INAF
Locandina ufficiale di "Breaking The Limits: Super-Eddington Accretion onto Compact Objects". Credit: OAC-INAF

Mancano poche ore all’inizio di “Breaking The Limits: Super-Eddington Accretion onto Compact Objects”, seminario che si svolgerà fino al 23 settembre ad Arbatax (Sardegna) e nel quale si tratterano temi caldi a riguardo dei dischi di accrescimento di buchi neri, stelle di neutroni, nuclei galattici attivi, con qualche spruzzata di cosmologia. Ed il tutto si aggira intorno al tema del limite di Eddington e della sua violazione.

Nello spazio molti oggetti, come le stelle, si trovano in equilibrio idrostatico, sottoposti a due elementi tra loro contrastanti: la forza di gravità – che comprime l’oggetto – e la pressione di radiazione, data dalla radiazione generatasi all’interno del corpo che preme sulla materia verso l’esterno. Per questi oggetti vale il limite di Eddington, limite superiore alla luminosità che può essere emessa da un corpo sferico in equilibrio idrostatico ed al di sopra del quale la pressione che la radiazione esercita sulla materia prevale sulla forza di gravità, rendendo il corpo instabile. Tale limite dipende dalla composizione chimica del gas e dalla distribuzione spettrale dell’energia emessa ed è raggiunto soltanto dagli oggetti più energetici dell’Universo come i nuclei galattici attivi. Raramente le stelle riescono a raggiungerlo: soltanto le più massive e luminose possono appena approssimarlo, superandolo unicamente durante il processo di formazione se la stella diventa molto massiva e calda, espellendo però parte del suo materiale sotto forma di vento stellare.

Galassia Credit: NASA/JPL-Caltech
Illustrazione artistica della galassia WISE J224607.57-052635.0. Credit: NASA/JPL-Caltech

Finora sono stati registrati vari casi di possibile violazione del limite di Eddington, specie da parte di buchi neri supermassivi. Un caso interessante è WISE J224607.57-052635.0, che appartiene alla classe ELIRG (Extremely Luminous Infrared Galaxy) - galassie estremamente luminose agli infrarossi recentemente identificate grazie a WISE - ed emette una luce pari a quella di oltre trecentomila miliardi di soli. La straordinaria luminosità di questa galassia – visibile esclusivamente nell’infrarosso – potrebbe essere dovuta alla crescita di un buco nero supermassiccio al suo centro. I buchi neri di grossa taglia sono molto comuni nei nuclei galattici, ma quello di WISE J224607.57-052635.0 è talmente grosso e distante da guadagnarsi un posto tra i casi più strani mai analizzati. Essendo collocato a 12.5 miliardi di ani luce da noi, è evidente che il buco nero aveva una di massa miliardi di volte quella del Sole già all’epoca in cui l’Universo aveva un’età pari a un decimo di quella attuale (13,8 miliardi di anni). Tra le varie spiegazioni per un buco nero così grande si annoverano possibili violazioni del limite di Eddington – per cui il buco nero si alimenta ad un ritmo più veloce di quello permesso – oppure di un’elusione del limite, per cui il buco nero potrebbe risucchiare una quantità maggiore di materia ruotando più lentamente (e quindi crescendo di più rispetto ad un altro buco nero che ruota più velocemente).

M83, conosciuta come Galassia Girandola. Credit: ESA/NASA
M83, conosciuta come Galassia Girandola del Sud. Credit: ESA/NASA

Altro esempio di violazione del limite di Eddington è fornito dalla galassia M83, conosciuta anche come Galassia Girandola del Sud, a 15 milioni di anni luce dalla Terra. Il disco di accrescimento intorno al buco nero centrale espelle una certa quantità di materia sotto forma di due getti di particelle elementari molto collimati (blazar), perpendicolari al disco stesso ed accompagnati da emissione di radiazione nel radio e nell’infrarosso. L’emissione varia le proprie caratteristiche in base all’energia cinetica – ossia di movimento (proporzionale a velocità e massa) – dei getti stessi. Finora tuttavia gli studi non hanno chiarito se il limite di Eddington riguarda solo l'energia di radiazione oppure coinvolge anche l'energia cinetica persa dal buco nero con i getti.

Disco di accrescimento di M83 (in giallo). In rosso sono mostrate le protuberanze date dai getti di materiale in uscita dal disco. Credit: WP Blair/JHU, R Soria/Curtin University
Disco di accrescimento di M83 (in giallo). In rosso sono mostrate le protuberanze date dai getti di materiale in uscita dal disco. Credit: WP Blair/JHU, R Soria/Curtin University

Dallo studio del disco di accrescimento (nell’immagine, ripresa da Hubble è parte centrale in giallo) e dei due getti di materia in direzioni opposte (protuberanze in rosso) l’esito mostra che il flusso di energia cinetica emessa dal buco nero supera il limite di Eddington calcolato per la sua massa (100 volte inferiore a quella del sole): il risultato permette di ipotizzare che questi oggetti possano emettere una quantità di energia cinetica enorme più a lungo, liberando nello spazio più energia di quanta ci si aspetterebbe sulla base del loro potere radiativo, soggetto al limite di Eddington.

Credit: NASA/JPL-Caltech/SAO/NOAO
Immagine di M82, comunemente conosciuta come Galassia Sigaro, ottenuta con telescopio di 2.1 metri di apertura dell’osservatorio di Kitt Peak (Arizona). Nel riquadro, l’immagine in falsi colori dell’emissione X (in magenta) della sorgente M82 X-2, situata al centro della galassia, che dista da noi 12 milioni di anni luce. Credit: NASA/JPL-Caltech/SAO/NOAO

Non solo i buchi neri mostrano di superare il limite: il caso lampante è situato a 12 milioni di anni luce dentro M82, comunemente conosciuta come Galassia Sigaro. A differenza di quanto creduto in precedenza, la sorgente, M82 X-2, è una pulsar – e non un buco nero – appartenente a un sistema binario che emette una quantità di energia pari a circa 10 milioni di volte quella prodotta dal Sole (e 100 volte superiore al suo limite di Eddington). M82 X-2 fa parte della categoria degli ULX (Ultraluminous X-ray Source), che producono più raggi X della maggior parte delle binarie X, in cui una comune stella orbita attorno a una stella di neutroni o a un buco nero di massa stellare.

Questo seminario sarà un’opportunità per comparare le recenti osservazioni con i modelli teorici all’avanguardia dei flussi super-Eddington, e per discutere le implicazioni cosmilogiche di questo regime di accrescimento.

Giulia Murtas

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