Il buco nero supermassiccio Sagittarius A*

Al centro della Via Lattea, Sagittarius A*, un tranquillo ma gigantesco buco nero supermassiccio, sonnecchia mangiando senza fame polveri e gas che gli ruotano attorno.

Quanto è grande, come ne abbiamo ipotizzato l’esistenza, finirà col mangiarci tutti?

Scoprilo continuando a leggere.

Perché si chiama Sagittarius A*

Sagittarius A* (abbreviato in Sgr A*) è il nome di una sorgente radio particolarmente intensa e compatta che si osserva al centro della nostra galassia. Man mano che è cominciato a sorgere il sospetto che lì in mezzo ci fosse un buco nero supermassiccio, il nome è passato a indicare quest’oggetto. La radiazione in banda radio è data dal materiale che, vorticando attorno al buco nero centrale, si surriscalda ed emette energia sotto forma di radiazione.

La zona attorno al centro galattico. L’immagine mostra i raggi X visti da Chandra in blu e l’emissione infrarossa vista dal telescopio spaziale Hubble in rosso e giallo. Il riquadro mostra una vista ravvicinata di Sgr A* solo ai raggi X, coprendo una regione larga mezzo anno luce. L’emissione diffusa di raggi X proviene dal gas caldo catturato dal buco nero e trascinato verso l’interno. Questo gas caldo ha origine dai venti prodotti da una distribuzione a forma di disco di giovani stelle massicce osservate negli infrarossi.
Quando osservata in onde radio, quella zona è molto più brillante.
Foto: X-ray: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

Nel dettaglio, questo oggetto si chiama Sagittarius perché in prospettiva il nucleo galattico dalla Terra si vede cadere nell’area del cielo che abbiamo arbitrariamente deciso di assegnare alla costellazione del Sagittario. Dopotutto le costellazioni servono a questo: danno un’indicazione rapida e di massima su dove girarti a guardare se vuoi trovare un dato oggetto celeste. Ovviamente ci sono le coordinate dell’oggetto, che indicano il punto in maniera molto precisa. Tuttavia se ti dicessi “in questo mese Giove passa nel Sagittario”, tu , riconoscendo la costellazione, sapresti dove cercare e in tal caso – visto che Giove è parecchio brillante in cielo – molto probabilmente sapresti individuarlo con semplicità e senza sapere le coordinate esatte.

immagine da stellarium per mostrare la posizione di Sagittarius A* rispetto alle costellazioni del sagittario, dello scorpione e di ofiuco
Sagitatrius A* sta in quel cerchietto giallo più o meno al centro dell’immagine: nella costellazione del Sagittario, ma vicinissimo al confine con lo Scorpione e con l?ofiuco.
Immagine da Stellarium.

Ma andiamo avanti. La A nel nome della radiosorgente sta a indicare che essa è la più brillante nell’area del Sagittario. Ad esempio, poco distante da Sagittarius A c’è una seconda sorgente radio solo di poco più brillante: le è stato dato il nome di Sagittarius B. E così via.
All’interno della regione occupata dalla sorgente Sagittarius A c’è un nucleo particolarmente brillante in radio, quel nucleo è Sagittarius A*.

L’asterisco è forse il dettaglio più curioso: è preso in prestito dalla nomenclatura degli stati eccitati degli atomi (ad esempio He* significa che l’atomo di elio è nel suo stato eccitato), perché la scoperta di questa radiosorgente così densa e compatta è stata ritenuta “eccitante”. L’asterisco si trova per la prima volta usato in un articolo di Robert L. Brown del 1982.

Quanto è distante Sagittarius A* da noi

Un sacco.

Ah, aspetta, vuoi dei numeri? Ok. Oltre 26 mila anni luce, quasi 27 mila. Aaah, adesso sì che è chiaro quanto è distante!

Simpatia a parte, vediamo un po’ di provare a farci un’idea di quale sia questa distanza.

Un anno luce è la distanza percorsa dalla luce in un anno. Arrotondando, la luce ha una velocità costante nel vuoto di circa 300 mila chilometri al secondo. Arrotondando ancora, in un anno ci sono diciamo 30 milioni di secondi. Gli astronomi arrotondano tutto, tanto capirai la differenza di qualche metro sui miliardi di chilometri!
Il conto è abbastanza facile: si moltiplica la velocità della luce per i secondi in un anno e si ottiene la distanza percorsa dalla luce in un anno.
Con gli arrotondamenti considerati, risulta che un anno luce è una distanza di 9 per 1012 chilometri (si legge 9 per 10 alla 12): un 9 seguito da 12 zeri. Quindi, dai nostri conti, un anno luce equivale a circa 9 mila miliardi di chilometri.
[vuoi sapere di quanto abbiamo deviato dal conto esatto per colpa degli arrotondamenti? Pochissimo: un anno luce è 9460730472581 chilometri. Quasi mezzo migliaio di miliardi di chilometri di differenza è poco, no?]

Ok. Ci sei fin qui? Un anno luce 9 mila miliardi di chilometri. Noi siamo distanti dal centro della nostra galassia ben oltre 26 mila anni luce. Io ti farei anche il conto per dirti quanto vale questa distanza in chilometri, ma tanto lo so che già su un anno luce ci siamo persi la capacità di immaginarci la distanza! Dai, diciamo che Sgr A* sta parecchio lontano: una considerazione che ci torna comoda più avanti nell’articolo.

Facciamo un ragionamento al contrario. Hai presente il nostro sistema solare? Beh, stabilendo le dimensioni del sistema solare fino alla distanza a cui arriva il vento solare, questo risulta essere di  0.0019 anni luce. Lascia sedimentare l’informazione… Circa 2 millesimi di anno luce il nostro sistema solare… Sgr A* sta a 26 mila volte un anno luce… Meglio? Peggio?
Ok, dai, lasciam perdere le distanze: passiamo alla massa del buco nero.

Quanto è grande Sagittarius A*

La stima più accreditata al momento dice che Sgr A* ha una massa di oltre 4 milioni di masse solari. Il Sole ha una massa di circa 2 per 1030 chilogrammi. Anche qui, io ti potrei dire che facendo i conti Sgr A* risulta di circa 8 per 1036 chilogrammi, ma tanto secondo me ci siamo già persi sull’immaginare la massa del Sole… Dai, facciamo che la smettiamo di contare le cose in chilometri e chilogrammi, e usiamo anni luce e masse solari: è più comodo!

Se 4 milioni di masse solari ti sembrano tanto, ti avviso che ci sono mostri nell’universo anche più grossi: ci sono buchi neri di miliardi di volte la massa del Sole, e anche più!

Ti aspettavi di leggere una dimensione invece di una massa nel paragrafo che fa riferimento a “quanto è grande” un buco nero?
Eh, ma come faccio?

Mettiamola così: esiste una regione di spazio che potresti considerare il buco nero oppure qualcosa che nasconde il buco nero vero e proprio. L’interpretazione dipende un po’ da quanto vogliamo scendere nei dettagli di cosa sia un buco nero, passando attraverso la relatività. Se hai la pazienza, in uno dei prossimi articoli lo facciamo.

Al momento diciamo solo che la dimensione che si può misurare di un buco nero è al più quella del suo orizzonte degli eventi, ovvero di quella regione di cui parlavo poco fa. L’orizzonte degli eventi dipende dalla massa del buco nero: più esso è massiccio, più il suo orizzonte degli eventi si allarga.
Questa dimensione si può calcolare facilmente: solitamente si ottiene usando un modello approssimativo ma che funziona. L’orizzonte degli eventi ha un raggio di quasi 3 chilometri per ogni massa solare.
Cioè, se il nostro sole diventasse un buco nero (no, non può diventarlo, no panic!), dovrebbe restringersi fino a meno di 3 chilometri di raggio.

Il problema poi è: una volta che il Sole si fosse ipoteticamente ristretto al di sotto dei 3 chilometri di raggio, che succede? Cosa accade sotto l’orizzonte degli eventi? Ah, chi lo sa!? È proprio questo il nodo. L’orizzonte degli eventi racchiude quella regione di spazio da cui – l’avrai sentito mille volte! – nemmeno la luce può più sfuggire. Se la luce non sfugge a raccontarci cosa succede là dentro, non possiamo sapere nulla di quella regione.

Da qui deriva la mia reticenza a dare le dimensioni di un buco nero: diciamo che le dimensioni dei buchi neri di cui puoi leggere o sentir parlare sono sempre relative al loro orizzonte degli eventi.

Con questa mega-premessa posso dirti qual è la “dimensione” di Sgr A*: con la massa che gli si attribuisce, il raggio del suo orizzonte degli eventi risulta di 12 milioni di chilometri. Un altro numero che nella nostra testa significa poco… Per mettere in prospettiva, Mercurio quando si trova alla minima distanza dal Sole sta a 46 milioni di chilometri: quasi 4 volte il raggio dell’orizzonte degli eventi di Sgr A*.

Questa simulazione di un buco nero supermassiccio mostra come esso distorce lo sfondo stellato, cattura e devia la luce, producendo l’ombra di un buco nero.
Immagine: Goddard Space Flight Center della NASA; sfondo, ESA/Gaia/DPAC

Adesso dovrebbe cominciare a farsi strada nella tua testa il concetto di “estremamente compatto” che si applica ai buchi neri: questi oggetti sono i più estremi dell’universo, perché racchiudono una massa enorme in distanze relativamente piccole. Qui parliamo di oltre 4 milioni di masse solari in quasi un quarto della distanza dell’orbita di Mercurio dal Sole.
E questo è solo l’inizio della stramberia di un buco nero!

Come si misura la massa di un buco nero

Finora ho dato per acquisito il dato sulla massa di Sgr A*, da lì ho poi ricavato la “dimensione”.
La domanda più immediata che mi potresti fare a questo punto è: «Ok, ma come fai a sapere che là dentro c’è una tale, spaventosa massa?». 

Beh, il buco nero al centro della nostra galassia non sta isolato in mezzo al nulla. Anzi, proprio perché in un nucleo galattico, c’è veramente tanta roba che gli sta attorno. Gas e polveri che girano in un disco di accrescimento, che è poi quello che emette tanto in onde radio e che la collaborazione Eht ha fotografato.
Ma ci sono anche delle stelle.

C’è davvero tanto nel nucleo galattico. Questa meravigliosa immagine è realizzata con il telescopio spaziale Spitzer, in infrarosso. La zona molto luminosa al centro è il centro galattico, dov’è sito Sgr A*.
L’immagine è un mosaico di migliaia di brevi esposizioni scattate dalla Spitzer Infrared Array Camera (Irac) e mostra emissioni da lunghezze d’onda di 3,6 micrometri (blu), 4,5 micrometri (verde), 5,8 micrometri (arancione) e 8,0 micrometri (rosso).
Immagine: NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (Spitzer Science Center/Caltech)

Immagina una stella attorno ad un oggetto così massiccio: poiché la fisica è una roba bellissima, anche a distanza, quella stella girerà attorno al buco nero seguendo proprio le leggi di Keplero, come se fosse un pianeta attorno alla sua stella. O una luna attorno ad un pianeta, o un satellite artificiale attorno ad un pianeta,… e così via.  E, se vogliamo fare i pignoli, proprio in virtù della poca distanza da una massa spaventosamente enorme, l’orbita di quella stella subirà anche gli effetti previsti dalla relatività. Queste sono cose che sappiamo studiare: se guardiamo per molti anni le orbite delle stelle attorno a quel “vuoto” (che vuoto non è) al centro della Via Lattea, siamo in grado di ricavare informazioni preziose.

Queste osservazioni e questi studi sono stati fatti: sono decenni che si fotografano le regioni centrali della nostra galassia. Le stelle ruotano attorno ad un punto centrale comportandosi esattamente come prevederebbe Keplero, e con i dovuti aggiustamenti relativistici, nel caso in cui una massa di oltre 4 milioni di masse solari fosse contenuta in uno spazio di qualche decina di milioni di chilometri di diametro.
Si parla di una massa enorme in relativamente poco spazio: il miglior candidato per ottenere una simile situazione è un buco nero supermassiccio. Si sono vagliate altre ipotesi, come un ammasso di stelle compatte e buchi neri di dimensioni stellari, ma queste ipotesi non reggevano ad un’analisi approfondita di età e dinamica (come si muovono, per dirla semplice) che tali corpi avrebbero dovuto avere.

L’orbita della stella S2 stana il buco nero

Un bell’esempio, pulito e da manuale, che ha contribuito a rafforzare l’ipotesi della presenza di un buco nero al centro della Via Lattea è l’orbita della stella S2.
S2 o S0–2 completa un giro attorno a Sgr A* in poco più di 16 anni. Osservandola sin dal 1995, diversi istituti di ricerca, lavorando indipendentemente, hanno ricostruito con precisione la sua orbita. 

Le parti centrali della nostra Galassia, la Via Lattea, osservate nel vicino infrarosso con lo strumento Naco sul Very Large Telescope dell’Eso. La posizione del centro, che ospita il buco nero (invisibile) noto come Sgr A*, con una massa 4 milioni di volte quella del Sole, è contrassegnata dalla croce arancione.
La stella S2 ha effettuato un passaggio ravvicinato attorno al buco nero nel 2018.
Immagine: ESO/MPE/S. Gilless et al.

Nel 2018, S2 è passata nel punto più vicino a Sgr A* finora osservato: 18 miliardi di chilometri, cioè circa 1400 volte il raggio dell’orizzonte degli eventi del buco nero. A quel punto della sua orbita, S2 ha raggiunto una velocità di circa 7650 chilometri al secondo, che è circa il 2,5% della velocità della luce.
A queste velocità e in prossimità di un oggetto massiccio come Sgr A*, ci si aspetta anche di vedere degli effetti relativistici sensibili: analisi indipendenti della collaborazione Gravity del Max Planck Institute, guidata da Reinhard Genzel, e del Galactic Center Group del Keck/Ucla, guidato da Andrea Ghez, hanno rivelato effetti doppler in perfetto accordo con le previsioni della relatività generale.

S2 non è l’unia stella studiata attorno a Sgr A*, ovviamente. Questa animazione mostra le orbite delle stelle S29 e S55 mentre si avvicinano a Sgr A* (centro). Alla rappresentazione delle stelle lungo le loro orbite, si sovrappongono immagini reali della regione ottenute con lo strumento Gravity su Very Large dell’Eso.
Video: ESO/GRAVITY collaboration/L. Calçada

Reinhard Genzel e Andrea Ghez hanno vinto il Nobel per la fisica nel 2020 insieme a Roger Penrose per i loro studi.
Penrose “per la scoperta che la formazione di buchi neri è una solida previsione della teoria della relatività generale” e Genzel e Ghez “per la scoperta di un oggetto compatto supermassiccio al centro della nostra galassia”.

Sagittarius A* ci mangerà?

No.

Un buco nero non è un’aspirapolvere

Non è che risucchia qualsiasi cosa da distanze infinite. Anzi, nemmeno da troppo lontano. Non è che se lo lasciamo al suo destino abbastanza a lungo risucchia l’intera Galassia.
Un buco nero è pericoloso solo per chi gli si avvicina troppo. Il “troppo” dipende innanzitutto dalla massa del buco nero, ma anche dal tipo di buco nero. Anche qui temo che ti rimanderò ad un futuro articolo che spiega come funziona un buco nero, ma l’informazione che ci serve ora è la distanza di sicurezza più… prudente.

Prudente (conservative, in inglese) è una parola che si usa molto in ambito astronomico: è l’ipotesi che ti mette più al sicuro rispetto a tutte le altre, relativamente a qualcosa che stai cercando di dimostrare.

Mettiamola così: prendiamo quel modello approssimato ma che funziona, che tante volte ho invocato per fare i conti in questo articolo, e consideriamo il raggio dell’orizzonte degli eventi. Fidati – per ora – se ti dico che, viaggiando nella tua navicella spaziale impossibilmente veloce verso Sgr A*, finché non ti avvicini a meno di 3 volte l’orizzonte degli eventi, sei sempre in tempo per girare i tacchi e tornare a casa.

Se tu fossi un fotone in questo esempio, potresti osare un po’ di più. Se poi usassimo un modello un pelino più completo, i valori cambierebbero ancora di poco. Ma ci ritorno su, con i numeri, in un’altra occasione. Promesso.

Siamo davvero troppo distanti da Sgr A*

Ora, non solo siamo al sicuro finché non ci avviciniamo troppo ad un buco nero. Sgr A* in particolare sta quasi precisamente seduto nel centro galattico. Una posizione da cui ci si sposta poco, risentendo dell’influenza gravitazionale del resto della galassia e tutto ciò che contiene.

L’intera Galassia è un bel sistema in cui bracci di spirale ruotano attorno ad un nucleo centrale molto denso. Il Sole sta per i fatti suoi a ruotare in uno di quei distanti bracci di spirale, bello bello nella periferia della Via Lattea. Sgr A* invece è lì che non si allontana mai dalla zona centrale della Galassia.
Non è possibile per il nostro sitema solare capitare nei pressi del buco nero centrale della Via Lattea, né viceversa.
Qualsiasi cataclisma possa spingere il Sole e compagnia cantante verso il nucleo galattico è di sicuro molto più preoccupante di quello che accadrebbe una volta giunti lì!

E se Sgr A* cresce?

Complimenti! Hai ricordato che più sopra nell’articolo ho citato il fatto che se la massa aumenta l’orizzonte degli eventi cresce. E hai dedotto che se un buco nero mangia, allora cresce in massa. Quindi la sua sfera di influenza fatale nello spazio attorno a sé aumenta a sua volta. Sì, ok. Questo è vero. Ma… ho già scritto quanto siamo lontani dal buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea?

Dunque, ho fatto due conti. E io sono una distrattona quindi mi sbaglio sempre quando faccio dei conti. Se conosci il raggio di Schwarzschild e controlli i conti fammi sapere.
Ho considerato, sempre con la solita approssimazione che non è il modello più preciso ma funziona abbastanza, quanta massa dovrebbe avere un buco nero con raggio dell’orizzonte degli eventi pari a un terzo della distanza Sole- Sgr A*. Mi risulta che tale buco nero dovrebbe avere la massa di 100 milioni di miliardi di miliardi di miliardi di volte l’intera massa della Via Lattea.

Un buco nero al centro di una galassia può essere attivo, mangiando materiale che gli cade addosso, o dormiente, come il nostro che in realtà prende poco materiale dal suo ambiente. Ma non c’è possibilità che un buco nero consumi pian piano la galassia che lo ospita.

Ancora meno fattibile che un buco nero si espanda fino a occupare lo spazio di una galassia intera! Non basterebbe la massa dell’intera Galassia a far crescere Sgr A* abbastanza da arrivare a lambire minacciosamente il nostro sistema solare.

Potremo morire in tanti modi su questo sassetto blu, ma di sicuro non ingoiati dal nostro bravo buco nero supermassiccio centrale. Su questo, ti assicuro, possiamo dormire sonni tranquilli.


Immagine di copertina: impressione d’artista delle stelle che orbitano attorno al buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia. Crediti: ESO/M. Parsa/L. Calçada.


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