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20 Maggio 2019
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    Il bizzarro comportamento di una stella rivela, per la prima volta in modo diretto, un buco nero solitario nascosto in un gigantesco ammasso stellare. Una importante scoperta che condiziona la nostra comprensione dei meccanismi di formazione di questi ammassi stellari, dei buchi neri e dell’origine degli eventi di onda gravitazionale.

    Questa rappresentazione artistica mostra come potrebbero apparire la stella e il suo compagno buco nero, massiccio ma invisibile, all'interno del ricco ammasso globulare. Crediti: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

    Usando lo strumento MUSE dell’ESO installato sul telescopio VLT (Very Large Telescope) in Cile, è stato possibile individuare una stella all’interno dell’ammasso stellare NGC 3201 che si comporta in modo bizzarro. Sembra infatti orbitare attorno a un buco nero invisibile di massa pari a circa 4 volte la massa del Sole. Si tratterebbe del primo buco nero di massa stellare inattivo, all’interno di un ammasso globulare, individuato in modo diretto grazie alla sua attrazione gravitazionale.

    Gli ammassi globulari sono enormi sfere di decine di migliaia di stelle che orbitano nella maggior parte delle galassie. Sono tra i sistemi stellari più antichi dell’Universo e risalgono a un’epoca vicina all’inizio della crescita ed evoluzione delle galassie. All’interno della Via Lattea se ne conoscono più di 150.

    Immagine composita a colori dell'ammasso globulare NGC 3201, ottenuta con lo strumento WFI montato sul telescopio da 2,2 metri dell'ESO/MPG all'Osservatorio di La Silla. Si trova a circa 16 000 anni luce da noi, nella costellazione australe della Vela. Crediti: ESO

    Un ammasso particolare, NGC 3201, che si trova nella costellazione australe della Vela, è stato studiato con lo strumento MUSE installato sul VLT (Very Large Telescope) dell’ESO in Cile. Un gruppo internazionale di astronomi ha scoperto che una delle stelle in NGC 3201 si comporta in modo strano – viene lanciata avanti e indietro a velocità di parecchie centinaia di migliaia di chilometri all’ora, con un andamento che si ripete ogni 167 giorni.  Lo studio infatti include l’analisi della “velocità radiale” delle singole stelle – la velocità con cui si avvicinano e si allontanano dalla Terra, lungo la linea di vista dell’osservatore. Usando le misure di velocità radiale si possono quindi determinare le orbite delle stelle, oltre alle proprietà di qualsiasi oggetto massiccio intorno a cui orbitino. Ed è così che è stata determinata la massa dell’oggetto:

    Questa immagine ottenuta con il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA mosta la zona centrale del ricco ammasso globulare NGC 3201 nella costellazione australe della Vela. Indicata con un cerchio blu, la stella individuata che orbita intorno a un buco nero di massa pari a quattro volte quella del Sole. Crediti: ESA/NASA

    «Era in orbita intorno a qualcosa di completamente invisibile, con una massa superiore a quattro volte quella del Sole – poteva essere solo un buco nero! Il primo trovato all’interno di un ammasso globulare direttamente osservando la sua attrazione gravitazionale» è quanto dichiarato dal primo autore Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Germania).

    La relazione tra buchi neri e ammassi globulari è importante ma ancora misteriosa. A causa della grande massa e dell’avanzata età, è quasi naturale ipotizzare che questi ammassi possano aver prodotto un grande numero di buchi neri di massa stellare. Buchi neri di queste dimensioni, si formano quando le stelle massicce muoiono, collassando sotto la propria gravità e esplodendo come potenti ipernove. Quel che rimane è un buco nero che contiene la maggior parte dalla stella originaria, che va da poche volte a diverse decine di volte la massa del Sole. Ma in mancanza di una formazione stellare continua, come nel caso degli ammassi globulari, i buchi neri di massa stellare diventano rapidamente gli oggetti più massicci presenti nell’ammasso.  Teorie recenti hanno concluso che i buchi neri si ritrovano a formare un denso nucleo all’interno dell’ammasso, che quindi si distacca dal resto del materiale. Moti al centro dell’ammasso potrebbero poi espellere la maggior parte dei buchi neri, con la conseguenza che solo pochi sopravvivererebbero dopo un miliardo di anni. Ma fin’ora erano solo teorie.

    Poichè la luce non è in grado di sfuggire ai buchi neri a causa della loro enorme forza di gravità, il metodo primario per trovarli è attraverso l’osservazione di emissione nella banda radio o in quella dei raggi X prodotta dal materiale caldissimo che li circonda. Ma quando un buco nero non interagisce con la materia calda e non accumula massa o emette radiazione, come in questo caso, il buco nero è “inattivo” e quindi invisibile, serve perciò un diverso metodo per rilevarlo.

    Lo strumento MUSE dell’ESO fornisce agli astronomi proprio questa possibilità: misurare il moto di migliaia di stelle lontane nello stesso momento per rivelare la pesenza di oggetti massicci che ne influenzino l’orbita. Con questi nuovi risultati, l’equipe ha avuto per la prima volta la possibilità di rivelare un buco nero inattivo nel cuore di un ammasso globulare.


    L’animazione mostra come potrebbero essere le mutue orbite della stella e del compagno buco nero, nel cuore affollato dell’ammasso globulare. Crediti: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

    Dalle proprietà osservate si sono infatti determinate le caratteristiche della stella dal movimento “anomalo” e dell’oggetto che lo causa: la stella ha una massa pari a circa 0,8 volte quella del Sole, mentre la massa della controparte misteriosa è circa 4,36 volte quella del Sole, quasi sicuramente un buco nero.

    L’individuazione recente di sorgenti di onde radio e di raggi X negli ammassi globulari, così come gli eventi di onde gravitazionali osservati a partire dal 2016, causati dalla fusione di due buchi neri di massa stellare, suggeriscono che questi buchi neri relativamente piccoli possano essere più comuni, negli ammassi globulari, di quanto si pensasse finora.

    Giesers conclude: «Fino a poco tempo si supponeva che quasi tutti i buchi neri sarebbero scomparsi dopo breve tempo dagli ammassi globulari e che sistemi come questi non potessero neppure esistere! Ma chiaramente non è così – la nostra scoperta è la prima evidenza diretta dell’effetto gravitazionale di un buco nero di massa stellare in un ammasso globulare. Questa scoperta ci aiuta a capire la formazione degli ammassi globulari e l’evoluzione di buchi neri e sistemi binari – ogni informazione in questa direzione è vitale per comprendere le sorgenti di onde gravitazionali».

    I risultati di questo studio sono stati presentati nell’articolo A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201, di B. Giesers et al., pubblicato dalla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

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