Non c’è due senza tre: buchi neri in stelle triple

RICERCANDO ALL’ESTERO – “Credo di avere il lavoro più bello del mondo perché ogni giorno è diverso, ogni giorno è una scoperta, anche in termini pratici. L’astrofisica è molto internazionale, è un ambiente in cui è facile collaborare con altri ricercatori ed è davvero stimolante, appena raggiungi un obiettivo ne trovi subito un altro: di sicuro non ci si annoia mai”.

Nome: Serena Repetto

Età: 30 anni
Nata a: Savigliano (CN)
Vivo a: Haifa (Israele)
Dottorato in: Astrofisica (Paesi Bassi)
Ricerca: Formazione di buchi neri galattici attraverso lo studio di binarie X e stelle triple.
Istituto: Department of Physics, Technion – Israel Institute of Technology (Israele)
Interessi: viaggiare, fare sport (corsa, bici, nuoto), la natura.
Di Haifa mi piace: il cibo; con i propri occhi si capiscono molte più cose che leggendo il giornale.
Di Haifa non mi piace: ci sono molti saliscendi e non posso andare in bici.
Pensiero: We shall not cease from exploration, and the end of all our exploring will be to arrive where we started and know the place for the first time. (T. S. Eliot)

Che tipo di stelle sono le binarie X?
Si tratta di sistemi a due corpi in cui c’è un oggetto compatto che accresce materia da una compagna. In particolare io mi occupo di binarie X composte da un buco nero e da una stella di massa simile a quella del Sole. Nella nostra galassia ci sono circa una trentina di sistemi di questo tipo e quasi cinquanta binarie X in cui al posto del buco nero c’è una stella a neutroni. Una stella a neutroni è lo stadio finale di una stella massiccia: quando una di queste stelle muore può dare origine a un buco nero o a una stella di neutroni. Se la stella originaria è molto massiccia, circa 20 volte la massa solare, si forma un buco nero altrimenti si ha una stella a neutroni.

Per capire qual è il meccanismo che fa partire l’esplosione, quanta massa viene emessa e, soprattutto, qual è la velocità che il buco nero riceve alla nascita possiamo studiare proprio le binarie X, guardando alla loro evoluzione con il rewind cioè da oggi a quando si sono formate. Questo è possibile grazie a tutta una serie di equazioni che gli astrofisici usano per spiegare la fisica di questi sistemi. Finora ho visto che, per spiegare la posizione galattica delle binarie X fatte da buco nero e compagna, la velocità iniziale ricevuta dal buco nero deve essere piuttosto elevata.

Qual è il ruolo delle stelle triple?
Lo studio delle stelle massicce che esplodendo producono buchi neri ha dimostrato che questi corpi hanno un numero medio di compagne di 2,1. In altre parole, una stella massiccia ha in genere due o più stelle che ci girano attorno. Quando poi la massiccia si trasforma in buco nero, quello che dovrebbe rimanere è una binaria X e un terzo oggetto che gravita attorno a essa. Questi sistemi vengono chiamati stelle triple e, sebbene si pensi che circa il 10-15% di tutte le stelle risiedano in sistemi simili, la loro presenza non è ancora stata dimostrata né si sono fatti studi sulla loro evoluzione stellare.

Il mio progetto di ricerca si propone di vedere se attorno alle binarie X orbita una terza stella, da cui ricavare informazioni utili sulla formazione dei buchi neri e su quelli che chiamiamo calci, kicks, di velocità. I buchi neri oggetto del nostro studio sono i cosiddetti buchi neri stellari, cioè quelli che hanno una massa attorno a 10 masse solari. Esistono anche buchi neri supermassicci, come quello al centro della nostra galassia, che pesano 1 milione di volte la massa del Sole o anche più e di cui non sappiamo molto. Un’idea sulla loro formazione è che in origine c’era un buco nero molto massiccio, tipo 100 volte la massa del Sole, che inglobando gas ha iniziato ad accrescere la sua massa fino a diventare appunto supermassiccio. Secondo un’altra ipotesi derivano da buchi neri di massa stellare che si fondono tra loro.

Come si studiano i buchi neri stellari?
I buchi neri ovviamente non possono essere rivelati perché non emettono nessuna luce. Solo in fase di accrescimento, quando cioè stanno incorporando materia dalla compagna, si ha produzione di raggi X. Quindi in pratica li possiamo osservare solo in maniera indiretta, studiando le radiazioni elettromagnetiche della compagna e della terza stella. Poiché questi due corpi sono sorgenti luminose in banda ottica, per fare le osservazioni è necessario avere a disposizione un telescopio ottico che abbia una buona risoluzione angolare. A tal proposito abbiamo fatto domanda per poter utilizzare uno dei due telescopi Gemini, quello che si trova in Cile, per raccogliere dati di imaging ottico e di spettroscopia. L’analisi degli spettri è fondamentale se vogliamo misurare la massa dei buchi neri, per fare un esempio di procedimento, una delle ricerche che ho appena concluso riguarda una plausibile binaria X di nome CX1004.

Grazie al Very Large Telescope dell’ESO (European Southern Observatory) in Cile, abbiamo osservato il sistema in luce ottica e abbiamo individuato una serie di righe di assorbimento tipiche di una stella di massa metà di quella solare. Nello spettro era anche presente una riga di emissione dell’idrogeno-Alfa molto larga, il che ci ha fatto pensare che la stella fosse in sistema binario con un buco nero. La larghezza della riga infatti, dipende da quanto veloce sta orbitando il materiale attorno all’oggetto compatto e poiché la velocità dipende dalla massa e il buco nero è l’oggetto più massiccio che conosciamo, abbiamo avuto la conferma che lì c’era proprio un buco nero.

Un aspetto interessante dello spettro di CX1004 è che ci aspettavamo uno spostamento delle righe per effetto Doppler che però non compare. Abbiamo provato a dare due interpretazioni: o la stella che osserviamo non fa parte del sistema binario ed è un’intrusa che si è casualmente posizionata sulla linea di osservazione, intralciando le misurazioni; oppure stiamo osservando la terza compagna del sistema binario. E poiché questa sarebbe molto più lontana, forse non vediamo le linee spettrali muoversi perché la sua velocità è bassa.

Qual è l’importanza del calcio di velocità impartito al buco nero alla nascita?
Ci sono tante idee, ma quella per me più affascinante ha a che fare con le onde gravitazionali. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ha rivelato la coalescenza di due buchi neri, con massa circa trenta volte quella del Sole, che spiraleggiano uno intorno all’altro in un unico sistema, emettendo onde gravitazionali finché si fondono. Nell’universo, il numero di sistemi binari formati da buco nero e buco nero dipende fortemente dalla velocità che questi oggetti acquisiscono alla nascita: se il buco nero riceve una velocità molto alta, la binaria si distrugge e non ci sarebbero più onde gravitazionali. Studiando i calci di velocità e quantificandoli in km/s, è possibile fornire a chi fa modellistica tutta una serie di dati e numeri utili per capire quante binarie formate da buco nero e buco nero ci sono nella nostra galassia.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
La mia preferita in assoluto è quella di studiare onde gravitazionali e buchi neri. Un’altra idea interessante è studiare i buchi neri all’interno degli ammassi nucleari, cosa che non è ancora stata scoperta ma è previsto che ci sia. L’ipotesi che mi piacerebbe testare è se il nostro famoso buco nero supermassiccio si sia formato dalla fusione di più buchi neri.

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