Oscillazioni quasi periodiche in sistemi binari

RICERCANDO ALL’ESTERO – Nella nostra galassia, molti dei buchi neri di massa stellare, cioè di circa 5-10 volte quella del Sole, si trovano in sistemi binari assieme a una stella compagna. L’attrazione gravitazionale del buco nero è così forte che inizia ad attrarre il materiale della compagna fino a formare il cosiddetto disco di accrescimento. La materia della stella inizia a spiraleggiare verso del buco nero, perdendo sempre più il momento angolare che possedeva in origine e scaldandosi a tal punto da emettere luce nella banda X.

Sara Motta studia questi sistemi in accrescimento presso l’Università di Oxford con l’obiettivo di verificare la teoria della relatività generale. Prima di approfondire la sua ricerca, Motta ha spiegato perché la relatività è importante e “a cosa serve all’uomo della strada”.

Relatività e vita di tutti i giorni, cosa hanno in comune?

Come per tutte le scienze, studiare la relatività è utile innanzitutto per aumentare le nostre conoscenze di base. Inoltre, senza la relatività generale il nostro GPS non funzionerebbe perché per localizzare la posizione di qualunque oggetto sulla superficie terrestre si usano dei satelliti in orbita a un’altezza di circa 15-20 km e questo è sufficiente a creare dei ritardi nella trasmissione del segnale. È solo grazie alle correzioni introdotte dalla relatività generale che il GPS ha l’altissima precisione a cui siamo abituati.

Inoltre i satelliti che usiamo per fare astronomia in banda X si basano su una tecnologia che da anni viene riciclata in strumenti che usiamo tutti i giorni: è il sensore CCD, diventato il cuore delle fotocamere digitali, da quelle dei nostri cellulari alle reflex, e degli apparecchi per la radiografia digitale.

Ritorniamo al disco di accrescimento. Come viene studiato?

In generale i sistemi in accrescimento sono estremamente piccoli, perciò non è mai possibile produrre una loro immagine diretta. Avere un modello è piuttosto complicato perché spesso dobbiamo fare delle assunzioni anche pesanti che possono influire sui risultati.
Per dedurre cosa sta succedendo all’interno di un sistema in accrescimento, si può ricorre a due tipi di analisi, quella spettrale e quella temporale, che è quella di cui mi occupo. Se ci si dedica solamente al come varia l’emissione in senso temporale e si ignora completamente il modo in cui l’emissione è fatta, allora parte del problema si può accantonare e si può cercare di capire di più della relatività generale.
L’analisi temporale si occupa di come le sorgenti di accrescimento variano in termini di fotoni che arrivano sulla Terra. Le variazioni possono riguardare anche il numero e il tipo di fotoni, se molli (a bassa energia) o duri (ad alta energia). Queste variazioni sono tutte direttamente osservabili.

La mia ricerca analizza i fotoni non così come arrivano ai nostri strumenti ma nel dominio di Fourier, in modo da trasferire tutte le informazioni in un dominio di frequenza. In pratica, invece di energie e tempi di arrivo usiamo le frequenze: così facendo siamo in grado di capire se le sorgenti variano con tempi-scala preferiti e se stanno accadendo fenomeni particolari attorno al buco nero in accrescimento.

In che modo si analizzano le frequenze preferite?

Nello specifico, si prendono i dati in banda X sul tempo di arrivo di un fotone e sulla sua energia: con i tempi faccio l’analisi di Fourier e con le energie ottengo gli spettri di potenza. Si possono anche mescolare le due informazioni e fare quello che viene chiamato spectral timing. L’obiettivo è cercare le frequenze della radiazione X emessa dai buchi neri in accrescimento e verificare se sono in accordo con le previsioni della teoria della relatività generale.

Che tipo di modello si usa per riprodurre l’emissione X dei fotoni?

Il modello che uso quasi quotidianamente è quello di precessione relativistica. Secondo la relatività, un buco nero, o comunque una massa molto compatta, ruota su se stessa con un certo spin. Il fatto che esista una massa fa sì che lo spazio-tempo sia curvo; il fatto che la massa gira su sé stessa fa sì che lo spazio tempo sia anche ritorto perché subisce il fenomeno di frame dragging (effetto di trascinamento). Ne consegue che le orbite delle particelle che ruotano attorno al buco nero non sono chiuse ma, a ogni giro, sono un po’ spostate rispetto alla partenza. Il modello di precessione relativistica è lo stesso che descrive l’orbita di Mercurio attorno al Sole, ovviamente attorno al buco nero il fenomeno è molto più intenso ed emerge in maniera molto chiara nei dati.

Grazie a una grande quantità di dati siamo riusciti a capire che c’è un legame tra frame dragging e particolari componenti degli spettri di potenza, chiamate oscillazioni quasi periodiche o QPO (Quasi Periodic Oscillation). Adesso stiamo usando questa teoria per costruire nuove predizioni e finora sembra funzionare molto bene.

Le frequenze previste dal modello quindi corrispondono a quelle osservate?

Siamo riusciti a dimostrare che i dati ottenuti con la precessione relativistica si accordano molto bene con le osservazioni. Il nostro studio è partito da una sorgente binaria, chiamata GRO J1655-40, il cui spettro di potenza mostrava simultaneamente tre QPO. Dal punto di vista matematico, le oscillazioni sono in funzione di tre parametri: massa, spin e raggio. Inoltre, sono associabili a tre frequenze predette dalla relatività, quella di frame dragging, quella di precessione del periastro e quella orbitale. Abbiamo così un sistema di tre equazioni facilmente risolvibile secondo tre parametri.

La massa è un parametro misurabile anche in maniera indipendente dall’emissione X. In banda ottica, quello che si può vedere delle binarie è la stella compagna, molto leggera rispetto al buco nero attorno a cui orbita e quindi continuamente in moto. Il suo movimento si può modellare e attraverso le leggi di Keplero si può risalire alla sua massa. Se il valore ottenuto in X combacia con quello ottico allora il modello funziona. Ed è proprio quello che abbiamo visto con GRO J1655-40.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Una volta che il modello viene verificato, bisogna vedere se funziona anche in sistemi complicati, come le stelle di neutroni in cui non c’è un orizzonte degli eventi come nel buco nero ma una superficie estremamente compatta e magnetizzata che cambia in maniera drastica ciò che succede alla materia nelle sue immediate vicinanze.
Si può andare anche più lontano, ai buchi neri supermassicci e in particolare ai nuclei galattici attivi. Anche qui in linea teorica si dovrebbe verificare la precessione relativistica, ma una massa molto più grande implica tempi di cambiamento molto più lunghi e quindi osservazioni molto lunghe e strumenti molto sensibili.

Nome: Sara Elisa Motta
Età: 34 anni
Nata a: Carate Brianza (MI)
Vivo a: Oxford (Regno Unito)
Dottorato: astrofisica (Varese)
Ricerca: Accrescimento su buchi neri come laboratorio per i test della relatività generale.
Istituto: Department of Physics, University of Oxford (Regno Unito)
Interessi: gatti, sport (nuoto, corsa, trekking), suonare il sassofono e l’ukulele
Di Oxford mi piace: tutto! È bellissima, ha un sacco di storia, parchi, edifici
Di Oxford non mi piace: il clima
Pensiero: The fight isn’t over until you win it. (Robin Hobb, Royal Assassin)

Leggi anche: A caccia di buchi neri oscurati con telescopi a raggi X

Pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia.