materiale - Roma Tre

“Alla caccia di buchi neri” – Sexten/Sesto 13/7/2011
Vedere l’invisibile.
L’ESA a caccia dei buchi neri
nell’Universo
Matteo Guainazzi
European Space Astronomy Center
Agenzia Spaziale Europea (ESA)
Villafranca del Castillo, Spagna
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
www.esa.int!
20 stati membri
Centri in tutta Europa e nel mondo
Avviciniamoci al
centro
Noi siamo qui
Nebulosa di Andromeda (M31)
(courtesy of T.A.Rector and B.A.Wolpa/NOAO/AURA/NSF)
La nostra Galassia dovrebbe apparire così
ad un osservatore esterno
www.outerspaceuniverse.com!
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
Scala (circa
2000 volte la
distanza
Terra-Sole)
Tempo (in
anni)
(Credit: ESO)
Centro della Galassia
(Gillessen et al. 2009)
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
www.giocomania.org!
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
“I quadrati dei tempi che i
pianeti impiegano a percorrere
le loro orbite sono
proporzionali ai cubi delle loro
distanze medie dal sole”
(Credit: Wikipedia)
Johannes von Kepler (1571-1630)
Se assumiamo che le stelle ruotano intorno a “qualcosa”, possiamo determinare la massa di
questo “qualcosa” grazia alla stessa legge che describe il moto dei pianeti attorno al sole
{
Velocità2 = G × M ÷ R
G = una costante universale de la natura
R = la distancia fra la stella e il “qualcosa”
M = la massa del “qualcosa”
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
La “Terza Legge di Keplero” ci permette di ricavare la massa del
punto sconosciuto attorno al quale le stelle sembtano muoversi
•  Mínima distanza: 17 ore-luce (3 volte la distanza Plutone-Sole)
•  Velocità: 5000 chilometri al secondo (km/s)
•  Periodo orbitale: 15.2 anni
M = r v2 G-1 = (4.1±0.1)×106 Msole
M = 4,100,000 volte la massa del sole =
8,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 kg
... in uno spazio più piccolo del sistema solare!
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
Una definizione semplice: un oggetto che possiede una massa tanto
grande che nulla, nemmeno la luce può sfuggirgli.
La velocità di fuga da un corpo di massa M (grammi) e raggio R (cm)
è:
Velocita di fuga ≅ 0.00036×√(M/R)
Nel 1784 John Michell, filosofo e matematico inglese, scrisse una
lettera al collega Henri Cavendish in cui descriveva stelle “così dense
e pesanti che la velocità di fuga fosse uguale alla velocità della luce”:
una dark star (“stella oscura”)
Ma un buco nero non è un corpo solido: secondo la relatività di Einstein
(che non credette in un primo momento all’esistenza dei buchi neri) è
una deformazione dello spazio tempo
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
Orizzonte degli eventi
http://stronggravity.eu!
Da qui non scappa nulla
“Singolarità”
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
Castle on the Mall, Washington D.C., Stati Uniti
(Smithsonian Photo, Eric Long)
Mettiamo un buco nero qui
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
(Smithsonian Photo, Eric Long)
Castle on the Mall, Washington D.C., Stati Uniti
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
Le altre galassie nell’universo sono troppo lontane perché
si possa misurare la traiettoria della stelle nel loro centro.
Però oggi pensiamo che tutte le galassie
hanno un buco nero “supermassiccio” al centro.
Come possiamo dirlo?
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
1.  La materia è fatta di atomi.
2.  Gli atomi contengono particelle di
carica negativa (elettroni) e carica
positiva (protoni)
3.  Quando una particella carica cambia la
sua energia emette un’onda
elettromagnetica
=
Concetto fondemantale: la lunghezza
d’onda determine l’energia (=colore)
dell’onda: la luce rossa ha meno
energia della luce blu.
(Courtesy of NASA)
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Se una sorgente di luce si allontana, la
radiazione ci sembrerà avere una
energia minore (sarà più rossa)
Se una sorgente di luce si avvicina, la
radiazione ci sembrerà avere una
energia maggiore (sarà più blu)
(Venezia, Riva degli Schiavoni 1433)
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(Miyoshi et al. 1995)
NGC4258
M=(3±2)×109 MSole
M=(3.3±0.3)×107 MSole
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Massa del buco nero
(courtesy Un. Michigan)
Massa della galassia
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Finora abbiamo solo dimostrato che i buchi neri esistono. Possiamo
dire qualcosa sulle loro proprietà? Alla fin fine un buco nero è un
oggetto molto semplice. Per caratterizzarlo completamente bastano:
•  la sua carica elettrica (siccome non abbiamo idea di come
misurarla, assumiamo che sia nulla)
•  il suo momento angolare (in fisica classica è il prodotto della
massa per la la velocità di rotazione)
•  la sua massa
Vorremmo anche sapere quanti sono, da dove vengono, se sono
evoluti dall’origine dell’Universo a oggi …
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
Per “osservare” buchi neri nelle galassie, ESA usa due satelliti
XMM-Newton – Raggi X
INTEGRAL – Raggi γ
1.  Perché raggi X/γ?
2.  Perché satelliti?
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(C
(Courtesy M.Ollterdorf)
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I fenomeni più energetici dell’Universo
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Courtesy SOHO/ESA
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Tempo di osservazione
Queste Galassie “attive” sono
quelle che meglio ci permettono
studiare i buchi neri
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Credit: NASA/CXC/A.Hobart
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COSMOS survey
(Courtesy prof. Gunther Hasinger, Hawaii Observatory)
Lockman Hole survey
Galassia attiva
Galassia attiva Galassia attiva Galassia attiva
Galassia activa
Galassia attiva
Galassia attivaGalassia attiva Galassia attiva
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(Uttley et al. 1999)
La radiazione X si raddoppia/dimezza in 1 minuto
Questo ci dice che la radiazione X è emessa vicina all’orizzonte degli eventi
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MAXIJ1659-152
(Credit: ESA)
Stella nana rossa
Buco nero di massa “solo” tre volte la massa del Sole
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(Credit: Corrado Rustica)
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
(Courtesy M.Whittle, Un.Virginia))
Numero di galassie attive.
Ci racconta la storia
dell‘Universo fino ai suoi inizi
= miliardi di anni
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
(Courtesy M.Whittle, Un.Virginia))
Numero di stelle che nascono
ogni anno in un volume dato.
Simile a quello dei buchi neri
= miliardi di anni
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
Abbiamo varie teorie su come si sono formati originariamente i buchi
neri “pesanti” all’ origine dell’Universo ...
(Volonteri 2012)
...ma non ancora osservazioni per verificarle: per la prossima generazione!
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
•  SgrB2 è una sorgente X-γ
scoperta da INTEGRAL
•  La sua emissione è la
riflessione della radiazione
che viene dal nucleo della
nostra galassia …
(Revnitzev et al. 2005)
= sorgenti note prima di
INTEGRAL
•  … però in uno stato un
milione di volte più brillante
di oggi, circa 100 anni fa
•  Nessun pericolo! Era
ancora 1 milione di volte
meno brillante del sole
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
Telescopi ottici hanno scoperto un nuvola accelerata e
stiracchiata dalla forza di attrazione del buco nero. Si
prevede che raggiunga il punto più vicino ....
(Gillessen et al., 2011)
Niente panico: la luminosità aumenterà solo di circa 10 volte
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014
Credit: ESO/MPE/M.Schartmann
“La ESA alla caccia di buchi neri” – La Fisica incontra la città – Università di Roma Tre – 2 aprile 2014