Sapevi che esistono diversi tipi di buchi neri?

1. I buchi neri stellari – con una massa tra le 3 e le 100 volte quella del sole. Sono formati a seguito del collasso gravitazionale di una stella massiccia, quando quest’ultima si trova negli stadi finali della sua vita, ovvero quando ha terminato tutto il “combustibile” che l’alimenta.

2. I buchi neri supermassicci – con masse milioni di volte quella solare, ordine 106M⊙ – si trovano solitamente al centro delle galassie. Allo stato attuale dell’arte non c’è una perfetta comprensione sui meccanismi che li hanno generati, ma si pensa che i buchi neri supermassicci possano avere origine da diversi buchi neri stellari che nel corso del tempo si sono fusi insieme.

La Fisica delle Alte Energie

Molte volte, nell’universo, protoni ed elettroni si trovano in forma libera, non organizzati in legami atomici, come nella materia che ci circonda sulla terra: questa condizione prende il nome di plasma.

Il plasma, spesso definito “quarto stato della materia”, è un gas portato a temperature ed energie così elevate da spezzare gli atomi, liberando elettroni e lasciando i nuclei carichi muoversi liberamente. È lo stato più comune della materia nell’universo: lo troviamo nel Sole, in generale nell’interno di tutte le stelle, nelle nebulose e nei getti cosmici che viaggiano quasi alla velocità della luce. In ambienti estremi, come le esplosioni di supernova, i venti stellari violenti o le regioni intorno ai buchi neri, il plasma raggiunge energie tali che le particelle al suo interno possono muoversi a velocità prossime a quella della luce.

Quando queste particelle si scontrano o vengono improvvisamente deviate da qualche campo magnetico, rilasciano enormi quantità di energia sotto forma di radiazione, fino alla banda di frequenza dei raggi gamma, la più intensa dell’intero spettro elettromagnetico.
Per quanto riguarda i protoni, il fenomeno più frequente è la collisione tra queste particelle. Il loro scontro fa sì che vengano prodotti pioni, un tipo di particelle che si indica con il simbolo π, caratterizzate da una vita molto breve (circa 0,00000000000000001 secondi o 10 attosecondi). Passato questo tempo infinitamente piccolo, la particella π decade e si trasforma in un altro tipo di particella: a volte si trasforma in raggi gamma, ovvero particelle senza massa ad altissima energia (simili alle particelle che costituiscono la luce visibile, ma con energie e frequenze molto più alte), altre volte in neutrini.

I neutrini sono delle particelle leggerissime, che hanno una proprietà molto particolare, cioè quella di passare attraverso la materia. Per fare un paragone, immaginate una casa infestata dai fantasmi. Loro non hanno bisogno di aprire le porte, o di fare le scale… Ma vanno da una stanza ad un’altra passando attraverso le pareti. Ecco, i neutrini possiamo vederli così, come i fantasmi dell’universo.
Anche gli elettroni possono generare raggi gamma (ma non neutrini), sebbene i processi che portano a questa emissione siano più complessi. Possiamo comunque descriverli in modo qualitativo.

IceCube nel ghiaccio a caccia di Neutrini

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IceCube, costruito nel 2010, è un osservatorio davvero speciale: si trova al Polo Sud, uno dei luoghi più estremi del pianeta. Ma non aspettatevi una cupola con telescopi puntati verso il cielo: IceCube osserva dentro il ghiaccio. È infatti un enorme rivelatore di particelle, di volume 1 km3, nascosto sotto la superficie polare, che si spinge fino a 2500 metri di profondità.
Il suo scopo? Cercare neutrini. Sono così difficili da “catturare” che serve un posto come questo: silenzioso, buio, lontano da ogni interferenza, e pieno di ghiaccio trasparente.
Quando un neutrino interagisce con il ghiaccio, crea altre particelle cariche (elettroni, muoni e tau) che si muovono velocissime, quasi alla velocità della luce, producendo un debole bagliore, chiamato luce Cherenkov. L’effetto Cherenkov consiste nell’emissione di radiazione elettromagnetica da parte di un materiale, attraversato da una particella carica con una velocità superiore alla velocità della luce che attraversa il mezzo stesso. La produzione di un flash di luce Cherenkov in elettromagnetismo ha il suo analogo in fisica acustica al bang degli aerei supersonici quando superano il muro del suono, diventando quindi oggetti più rapidi della velocità del suono nel mezzo specifico.

IceCube è composta da una struttura tridimensionale ordinata di sensori ottici altamente sensibili, ossia i fotomoltiplicatori. I sensori di IceCube captano la luce Cherenkov fornendo informazioni sulle fonti particelle cariche, e quindi permettendo agli scienziati in maniera indiretta di osservare da dove arriva il neutrino e misurare quanta energia ha in origine.

Dietro a questo gigantesco progetto c’è una collaborazione internazionale che coinvolge circa 450 scienziati provenienti da 14 Paesi. Anche l’Italia fa parte del team, grazie al lavoro di ricerca del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova.
Ma perché tutto questo impegno per una particella così piccola? Perché i neutrini possono raccontarci storie che nessun’altra particella riesce a trasmettere. Provengono da alcuni degli eventi più violenti dell’universo: esplosioni di supernovae, collisioni tra stelle di neutroni, buchi neri, etc.. Eventi molto lontani che producono segnali debolissimi, ma carichi di informazioni.

Lavoro e vita nell’IceCube

L’Antartide è un luogo davvero straordinario e unico al mondo: si tratta di un immenso deserto di ghiaccio, caratterizzato da condizioni ambientali estreme, dove si registrano alcune delle temperature più basse della Terra.

Prima di intraprendere il lungo e impegnativo viaggio verso il Polo Sud, i ricercatori ed il personale tecnico che vi si reca devono sottoporsi a rigorosi controlli medici e test fisici approfonditi. Questi esami servono a verificare che siano in buone condizioni di salute e sufficientemente preparati dal punto di vista fisico e psicologico per affrontare le difficili condizioni climatiche e l’isolamento del luogo.

Il tragitto per raggiungere l’Antartide è lungo e complesso: partendo dall’emisfero nord, possono essere necessarie fino a 72 ore di viaggio, suddivise in diversi voli e tappe intermedie. Si tratta quindi di una spedizione che richiede una pianificazione accurata e una forte motivazione.

Una volta arrivati, gli scienziati vivono e lavorano presso la stazione di ricerca dotata di varie strutture essenziali per garantire il benessere e il comfort del personale durante la permanenza. La base ospita circa 150 persone e dispone di una cucina attrezzata, una sala da pranzo comune, una palestra per mantenersi in forma, una serra per coltivare alcune piante e altre infrastrutture utili alla vita quotidiana.

Nonostante le difficoltà ambientali, la vita alla base include anche momenti di svago e socializzazione. Gli scienziati e il personale si dedicano ad attività ricreative come il gioco della pallavolo e del basket, l’ascolto o l’esecuzione di musica con strumenti presenti nella struttura, e altre iniziative che aiutano a mantenere alto il morale e favoriscono la coesione del gruppo.

CTAO e LST-1 per i Raggi Gamma

CTAO è l’acronimo di Cherenkov Telescope Array Observatory, un consorzio di gruppi di ricerca provenienti da diversi stati che ha come scopo costruire un gruppo di telescopi, i.e. un array, i quali possono osservare in maniera congiunta e coordinata, in modo da avere delle osservazioni più accurate. In questo caso, il fenomeno è analogo a quello osservato da IceCube: la luce di Cherenkov, che qui viene prodotta quando un raggio gamma interagisce con le molecole dell’atmosfera terrestre, creando una cascata di particelle che poi viene osservata dai telescopi.

CTAO prevede di portare a termine la costruzione di due Array: uno attualmente in costruzione presso la cima del Roque de los Muchachos, La Palma, nelle isole Canarie (Spagna), e un secondo presso il deserto dell’Atacama in Cile.

L’array che si trova alle Canarie dispone di un telescopio già in uso, che già produce i primi risultati scientifici: il Large Size Telescope (LST-1), inaugurato nel 2018. Questo, con un’altezza di 45 metri e 100 tonnellate di peso, è costituito da una superficie riflettente di 23 metri di diametro di forma parabolica, per un totale di 400 metri quadrati, la quale raccoglie i segnali provenienti dall’universo, sotto forma di luce, e li convoglia in una fotocamera, per tradurli in segnali elettrici. Successivamente questi verranno digitalizzati e processati. Il riflettore è a sua volta supportato da una struttura tubolare rinforzata da tubi di acciaio e fibra di carbonio. Infine, l’intera struttura è posizionata su un supporto mobile in grado di ruotare velocemente, in modo da essere in grado di puntare una coordinata diversa del cielo in meno di 20 secondi.

Nel contesto del mio lavoro faccio parte della LST collaboration, che è parte del consorzio di CTAO, tramite il gruppo di ricerca VHEGA (Very High Energy Group for Astrophysics) che opera presso l’Instituto de Astrofísica de Andalucía a Granada (Spagna). Il mio ruolo è quello di analizzare i dati ottenuti tramite LST-1.

CTAO è composta da circa 1500 membri provenienti da 25 paesi (Australia, Austria, Brasile, Cile, Croazia, Repubblica Ceca, Finlandia, Francia, Germania, Italia, Irlanda, Giappone, Messico, Olanda, Polonia, Slovenia, Sud Africa, Spagna, Svezia, Svizzera, Tailandia, Ucraina, Regno Unito e Stati Uniti).

L’Italia ha un ruolo dominante nel consorzio: non solo parecchi istituti (principalmente INAF e INFN, ma anche varie Università) fanno parte di CTAO, ma la sua sede centrale si trova a Bologna, dove vengono gestite le operazioni di osservazione, la parte dei progetti scientifici, il lato tecnico e di amministrazione.

Nel caso di LST-1, il telescopio raccoglie i dati dell’osservazione e li invia a un sistema di analisi.
Il procedimento avviene in più fasi. Per prima cosa, la camera del telescopio registra i lampi di luce Cherenkov prodotti quando un raggio gamma interagisce con l’atmosfera terrestre. Queste particelle di luce colpiscono i rivelatori della camera e vengono convertite in segnali elettrici.

Il dato però è ancora grezzo e deve essere elaborato. Nella fase successiva, i segnali vengono analizzati per determinare quante particelle sono state raccolte da ogni pixel della camera. Si ottiene così un’immagine bidimensionale della luce Cherenkov, che riflette la forma della cascata di particelle prodotta dal raggio gamma.

Da questa immagine, il software estrae informazioni geometriche sulla cascata, come la sua direzione e la sua estensione. Successivamente, ogni evento (cioè ogni lampo registrato) viene classificato in base alla probabilità che sia stato prodotto da un raggio gamma piuttosto che da un’altra particella cosmica, come un protone.
Una volta isolati i candidati raggi gamma, si passa alla ricostruzione della loro energia e direzione di provenienza. In questo modo si può risalire alla sorgente astrofisica che li ha generati.

Infine, si costruisce la Distribuzione Spettrale dell’Energia (SED), cioè un grafico che mostra qual è l’intensità dei raggi gamma in funzione dell’energia. La SED è fondamentale perché permette di capire i processi fisici che avvengono nell’oggetto osservato, come il meccanismo di emissione e le condizioni dell’ambiente circostante.

In figura si mostra una SED della Nebulosa del Granchio, la fonte di raggi gamma per eccellenza. Dal grafico possiamo dedurre informazioni come la potenza e la forma dell’emissione (che ci permette classificare la sorgente), ma anche che tipi di meccanismi di accelerazione di particelle avvengono in questa zona dell’universo. Inoltre, rappresenta un oggetto fondamentale per la calibrazione di LST-1 in quanto non presenta particolari variazioni a livello di luminosità ed è ben osservata da parecchi telescopi.

Ipotesi di Lavoro sulle Emissioni di Neutrini
e Gamma in NGC 1068

Attualmente ci sono differenti ipotesi di lavoro che cercano di interpretare fisicamente la doppia emissione neutrino gamma di NGC 1068. In particolare la chiave della questione é relativa al segnale debole di raggi gamma comparato con il flusso di neutrini.
Con argomentazioni d’ordine di grandezza e successivamente applicando modelli teorici, si deduce che soltanto la regione prossima al disco di accrescimento attorno al buco nero supermassiccio presenta la giusta densità sia di fotoni X, necessari a fornire i bersagli per i protoni in grado di sostenere la produzione di neutrini, sia di fotoni ottici/infrarossi, richiesti per assorbire i raggi γ associati, ma osservati debolmente2. Modelli recenti sui dintorni dei buchi neri in questi oggetti suggeriscono che gas, polvere e radiazione dovrebbero bloccare i raggi gamma che altrimenti accompagnerebbero i neutrini3.
In tempi recentissimi è stato proposto un potenziale candidato per l’origine dell’emissione di neutrini da parte di NGC 1068: la corona, situata nella parte interna del disco di accrescimento dell’AGN. Per spiegare la combinazione del fatto che NGC 1068 sia una sorgente di neutrini energetici ed una debole sorgente di raggi gamma, è stato suggerito un meccanismo che coinvolge le collisioni tra i nuclei di elio ed i fotoni ultravioletti emessi dalla regione centrale della galassia4.
Finalmente si sta esplorando la possibilità di un assorbimento di raggi gamma da parte della materia oscura.5
Quindi misurare con precisione le emissioni gamma aiuterebbe a far chiarezza su una possibile connessione generale tra neutrini ed AGN. Il contributo del nostro gruppo VHEGA (Very High Energy in Astrophysics), che partecipa attivamente nella LST collaboration (un sub-consorzio del CTAO), è rilevante, perché siamo dei pochi gruppi capaci di elaborare analisi di raggi gamma spettrali, ossia di studiarli nelle diverse bande di energia separatamente.
Attualmente la SED che abbiamo calcolato per NGC 1068 ci può fornire degli “upper limits”, ovvero gli ordini di grandezza massimi per le emissioni nella SED.. Questi valori limite spesso sono molto più difficili da ottenere e da interpretare rispetto ai valori specifici come quelli riportati sulla Nebulosa del Granchio.
Nell’ambito della ricerca astrofisica, non sempre è facile estrarre dei risultati netti e conclusivi: ci sono oggetti più facili da analizzare, altri che invece hanno un alto grado di difficoltà dovuto a elementi come la distanza, luminosità della fonte, posizione, a causa delle interferenze prodotte da altre fonti che si interpongono tra la terra ed il nostro oggetto di studio.
Dato che il sistema di telescopi CTAO è ancora in fase di sviluppo i risultati attuali non sono conclusivi. Confidiamo nel fatto che con il termine della costruzione dell’array di CTAO, l’azione combinata di più telescopi potrà fornirci risultati più accurati, e così ridurre l’incertezza sull’entità delle emissioni gamma.
Eppure, NGC 1068 continua ad essere una delle galassie più affascinanti, un enigma cosmico che solo grazie al lavoro di decine e decine di scienziati in tutto il mondo potrà essere compreso davvero.

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Bibliografia

Pfuhl, O., Davies, R., Dexter, J., Netzer, H., Hönig, S., Lutz, D., Schartmann, M., Sturm, E., Amorim, A., Brandner, W., & others. (2020). An image of the dust sublimation region in the nucleus of NGC 1068. Astronomy & Astrophysics, 634, A1.

Huang, K.-Y., Viti, S., Holdship, J., García-Burillo, S., Kohno, K., Taniguchi, A., Martín, S., Aladro, R., Fuente, A., & Sánchez-García, M. (2022). The chemical footprint of AGN feedback in the outflowing circumnuclear disk of NGC 1068. Astronomy & Astrophysics, 666, A102.

Fiorillo, Damiano F. G.; Comisso, Luca; Peretti, Enrico; Petropoulou, Maria; Sironi, Lorenzo (1 October 2024). “A Magnetized Strongly Turbulent Corona as the Source of Neutrinos from NGC 1068”. The Astrophysical Journal. 974 (1): 75.

• I quasar sono definiti nell’articolo di COELUM n.273 “Una tazza di thè caldo al buco nero”
• Padovani, P., Resconi, E., Ajello, M. et al. High-energy neutrinos from the vicinity of the supermassive black hole in NGC 1068. Nat Astron 8, 1077–1087 (2024).
• https://icecube.wisc.edu/news/press-releases/2022/11/icecube-neutrinos-give-us-first-glimpse-into-the-inner-depths-of-an-active-galaxy/
• Yasuda, Koichiro; Sakai, Nobuyuki; Inoue, Yoshiyuki; Kusenko, Alexander (18 April 2025). “Neutrinos and Gamma Rays from Beta Decays in an Active Galactic Nucleus NGC 1068 Jet”. Physical Review Letters. 134 (15):
• 151005 6 Herrera, Gonzalo. “Plausible Indication of Gamma-Ray Absorption by Dark Matter in NGC 1068.” arXiv preprint arXiv:2504.21560 (2025).

Instituto de Astrofísica de Andalucía

L’Instituto de Astrofisica de Andalucia (IAA) è un centro di ricerca di eccellenza facente parte del Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Al suo interno ci sono quasi 200 tra astronomi, astrofisici ed ingegneri che portano avanti l’obiettivo di approfondire la conoscenza del Cosmo.
All’interno dell’IAA, il gruppo VHEGA (Very High Energy Group for Astrophysics) si occupa dello studio dell’astrofisica delle alte energie e dell’astronomia gamma. I ricercatori di VHEGA sono attivi sia sul lato teorico/osservativo che su quello sperimentale. Per quanto riguarda l’astrofisica teorica/osservativa, studiano ed interpretano le osservazioni gamma provenienti da varie sorgenti, i.e. dagli ammassi stellari a giovani stelle in formazione, fino ad arrivare a sorgenti più esotiche come le stelle di neutroni e le loro nebulose. Gli astrofisici di VHEGA studiano anche l’emissione di raggi gamma da sorgenti extragalattiche, come i nuclei galattici attivi: mastodontici buchi neri al centro di remote galassie che lanciano potenti getti, possibili fonti di raggi cosmici. Per quanto riguarda invece l’aspetto sperimentale, legato alle tecniche di ricostruzione delle immagini dei telescopi Cherenkov, il gruppo VHEGA si occupa di sviluppare e mantenere software open source che gestiscono sia la ricostruzione delle immagini dei telescopi IACT (algoritmi basati su tecniche innovative di machine learning), che l’analisi di dati ad alto livello per l’astronomia gamma. Questi software sono una delle colonne portanti del futuro CTAO, un osservatorio di raggi gamma composto da due array di telescopi IACT: uno posizionato nell’emisfero nord nell’isola di La Palma (e attualmente in costruzione) e l’altro nell’emisfero sud presso l’osservatorio del Paranal in Cile.

L’articolo è pubblicato in COELUM 276 VERSIONE CARTACEA