Un’illustrazione di un buco nero di massa stellare che lentamente divora una stella in un sistema microquasar. Utilizzando 16 anni di dati dal veicolo spaziale Fermi della NASA, che rileva i raggi gamma, gli astronomi hanno scoperto che i “microquasar”, sistemi in cui un buco nero lentamente divora una stella, possono essere piccoli, ma hanno un impatto notevole. Nonostante la loro natura minuta, questa ricerca suggerisce che anche i microquasar che si nutrono di piccole stelle possono avere un’influenza cosmica impressionante, diventando potenti acceleratori naturali di particelle. Ciò significa che i buchi neri che si concedono pasti stellari di tutte le dimensioni potrebbero essere responsabili di una quantità maggiore del previsto di particelle cariche ad alta energia chiamate “raggi cosmici”, che bombardano costantemente la Terra. Il meccanismo per questa accelerazione delle particelle sono i getti quasi alla velocità della luce che esplodono dai microquasar.
“Il nostro pianeta è costantemente bombardato da particelle accelerate altrove nella nostra galassia. Queste sono principalmente protoni ed elettroni, comunemente noti come raggi cosmici,” ha detto Guillem Martí-Devesa dell’Università di Trieste. “Tuttavia, la loro origine è stata dibattuta per decenni.” Ciò che Martí-Devesa e Laura Olivera-Nieto del Max Planck Institute for Nuclear Physics hanno trovato è una nuova fonte di raggi gamma che è coerente con la posizione di GRS 1915+105, un noto microquasar in cui un buco nero sta lentamente divorando una stella di bassa massa. “Trovare fonti che possono accelerare particelle e capire cosa le rende speciali è il primo passo per scoprire perché e come l’universo a volte fornisce a una piccola frazione di particelle enormi quantità di energia,” ha detto Olivera-Nieto. “Per accelerare le particelle, di solito hai bisogno di alcuni ingredienti: campi magnetici forti, grandi quantità di energia e anche la presenza di particelle da accelerare. I getti dei microquasar hanno tutto questo!”
I quasar standard sono alimentati da buchi neri supermassicci che si nutrono di materia e gas circostanti nelle regioni centrali di alcune galassie chiamate nuclei galattici attivi (AGN). I quasar sono alcune delle fonti di luce più luminose del cosmo, spesso più brillanti della luce combinata di miliardi di stelle nella galassia che li circonda. Mentre i buchi neri supermassicci hanno masse che vanno da milioni a miliardi di volte quella del sole, i buchi neri stellari che si nutrono di stelle nei microquasar hanno masse di non più di qualche centinaio di masse solari.
“La maggior parte delle stelle nella galassia non sono sole, ma in realtà orbitano attorno a un’altra stella. I microquasar sono un tipo speciale di coppia stellare in cui una delle due stelle è già ‘morta’, cioè ha esaurito il carburante ed è esplosa,” ha detto Olivera-Nieto. “Ciò che rimane è un buco nero. Se la stella normale è abbastanza vicina al buco nero, il buco nero inizierà a strappare materia da essa e a inghiottirla. Chiamiamo questi oggetti ‘microquasar’ perché assomigliano ai quasar, un fenomeno analogo ma con buchi neri supermassicci al centro delle galassie.”
I buchi neri che si nutrono di stelle sono un fenomeno abbastanza comune. Quando una stella si avvicina troppo a un buco nero supermassiccio, l’enorme influenza gravitazionale di quel titano cosmico genera forze di marea che schiacciano la stella orizzontalmente mentre la allungano verticalmente. Questo processo di “spaghettificazione” trasforma la sfortunata stella in un noodle di materiale stellare che si avvolge attorno al buco nero supermassiccio e viene gradualmente consumato. Questi potenti e violenti eventi sono chiamati “eventi di distruzione mareale” o “TDE”.
I microquasar differiscono dai TDE perché le stelle coinvolte non vengono distrutte rapidamente, con questi buchi neri più piccoli che preferiscono mordicchiare lentamente la loro stella vittima. Non è la massa del buco nero a essere responsabile di questo assaporare il pasto stellare, però. “Un microquasar è in un’orbita stabile, con il buco nero che prende massa dalla stella a un ritmo molto lento,” ha detto Olivera-Nieto. “Ciò significa che non sta distruggendo la stella con le sue maree e non lo farà durante la sua evoluzione.”
Questa nuova ricerca mostra che, nonostante le dimensioni ridotte dei loro motori di buchi neri (rispetto ai buchi neri supermassicci) e il loro approccio lento nel mangiare stelle, i microquasar possono avere un’influenza cosmica impressionante, diventando potenti acceleratori naturali di particelle. “Nel caso di un microquasar, abbiamo una stella che viene lentamente inghiottita da un buco nero,” ha detto Martí-Devesa. “Di conseguenza, il buco nero può generare potenti getti relativistici, che sono davvero la caratteristica distintiva di un microquasar.” Questi flussi diventano i getti astrofisici più potenti trovati nella nostra galassia e, quindi, eccellenti acceleratori cosmici di particelle.
La domanda è: quanto del contenuto di raggi cosmici della Via Lattea è contribuito dai microquasar, specialmente quelli con motori di buchi neri di massa molto bassa? Per rispondere a questa domanda, Olivera-Nieto e Martí-Devesa hanno esaminato 16 anni di dati raccolti dal veicolo spaziale Fermi della NASA utilizzando il suo rivelatore Large Area Telescope (LAT). Hanno trovato un segnale di raggi gamma associato al microquasar GRS 1915+105, noto anche come “V1487 Aquilae”, qualcosa che è stato una grande sorpresa. La ragione della sorpresa è che GRS 1915+105 è un binario di bassa massa costituito da un buco nero con 14 masse solari che lentamente mangia una stella con circa la metà della massa del sole. Questo è in netto contrasto con i microquasar noti in precedenza che accelerano particelle, che ospitavano solo stelle massicce. Ad esempio, il microquasar SS 433 ospita un buco nero che si nutre di una stella che ha dieci volte la massa del sole.
“Qualcosa che rende questo sistema speciale è in realtà che potrebbe essere piuttosto comune,” ha detto Olivera-Nieto. “Il numero di stelle nella galassia diminuisce drasticamente man mano che la loro massa aumenta: le stelle di bassa massa sono molto più comuni delle stelle di alta massa. Di conseguenza, lo stesso deve essere vero per i sistemi microquasar.” Ciò significa che trovare che anche un sistema con un buco nero che lentamente divora una stella così piccola può accelerare particelle abbastanza da creare fotoni di raggi gamma implica che il contributo dei microquasar nel loro insieme al contenuto di raggi cosmici della nostra galassia potrebbe essere maggiore di quanto gli scienziati si aspettassero.
“Ci sono molti più microquasar conosciuti dove non c’è evidenza di emissione di raggi gamma, il che significa nessuna evidenza di accelerazione delle particelle a energie elevate,” ha detto Olivera-Nieto. “Alcuni di questi sono perché non abbiamo guardato con telescopi abbastanza sensibili, ma altri sembrano semplicemente non essere acceleratori efficienti. Vorremmo capire la differenza tra questi sistemi, che contiene la chiave per capire quanti raggi cosmici sono prodotti nei getti dei microquasar.”
Pertanto, con questa nuova evidenza che i microquasar con stelle di bassa massa possono anche essere acceleratori di particelle e contribuire ai raggi cosmici che arrivano sulla Terra, Martí-Devesa ha spiegato che potrebbe essere il momento di rivedere i sistemi microquasar scoperti in precedenza. “Speriamo che il nostro studio sia un passo importante per comprendere il reale contributo dei microquasar all’abbondanza di raggi cosmici nella nostra galassia,” ha concluso Martí-Devesa. “In questo modo, saremo in grado di rivalutare l’intera popolazione di microquasar e la loro vera rilevanza come produttori di raggi cosmici nella nostra galassia.”