Il destino finale di una stella distrutta da un buco nero

L’interruzione delle maree di una stella simile al sole da parte di un buco nero 1 milione di volte più massiccio di lui è avvenuta a 215 milioni di anni luce dalla Terra. Fortunatamente, questo è stato il primo evento del genere abbastanza luminoso da consentire agli astronomi dell’Università della California, a Berkeley, di studiare la luce ottica della morte stellare, in particolare la polarizzazione della luce, per saperne di più su cosa è successo dopo che la stella è stata fatta a pezzi.

Le loro osservazioni dell’8 ottobre 2019 suggeriscono che gran parte del materiale della stella è stato spazzato via ad alta velocità — fino a 10.000 chilometri al secondo — e ha formato una nuvola di gas sferica che ha bloccato la maggior parte delle emissioni ad alta energia prodotte mentre il buco nero ha inghiottito il resto della stella.

In precedenza, altre osservazioni della luce ottica dell’esplosione, chiamate AT2019qiz, hanno rivelato che gran parte della materia della stella è stata lanciata verso l’esterno da un vento potente. Ma i nuovi dati sulla polarizzazione della luce, che era essenzialmente zero alle lunghezze d’onda visibili o ottiche quando l’evento era al massimo, dicono agli astronomi che la nuvola era probabilmente sfericamente simmetrica.

“Questa è la prima volta che qualcuno ha dedotto la forma della nuvola di gas attorno a una stella macchiata di marea”, ha affermato Alex Filippenko, professore di astronomia della UC Berkeley e membro del team di ricerca.

I risultati supportano una risposta al motivo per cui gli astronomi non vedono radiazioni ad alta energia, come i raggi X, da molte delle dozzine di eventi di interruzione delle maree osservati fino ad oggi: i raggi X, che sono prodotti dal materiale strappato dalla stella e trascinati in un disco di accrescimento attorno al buco nero prima di cadere verso l’interno, sono oscurati alla vista dal gas soffiato verso l’esterno dai potenti venti del buco nero.

“Questa osservazione esclude una classe di soluzioni che sono state proposte in teoria e ci dà un vincolo più forte su ciò che accade al gas attorno a un buco nero”, ha affermato Kishore Patra, uno studente laureato della UC Berkeley, autore principale dello studio. “Le persone hanno visto altre prove del vento che esce da questi eventi, e penso che questo studio sulla polarizzazione renda sicuramente quella prova più forte, nel senso che non otterresti una geometria sferica senza una quantità sufficiente di vento. Il fatto interessante è che una frazione significativa del materiale nella stella che sta spiraleggiando verso l’interno alla fine non cade nel buco nero: viene spazzata via dal buco nero”.

La polarizzazione rivela la simmetria

Molti teorici hanno ipotizzato che i detriti stellari formino un disco eccentrico e asimmetrico dopo la rottura, ma ci si aspetta che un disco eccentrico mostri un grado di polarizzazione relativamente alto, il che significherebbe che forse una certa percentuale della luce totale è polarizzata. Questo non è stato osservato per questo evento di interruzione delle maree.

“Una delle cose più folli che un buco nero supermassiccio può fare è distruggere una stella con le sue enormi forze di marea”, ha detto il membro del team Wenbin Lu, assistente professore di astronomia della UC Berkeley. “Questi eventi di interruzione delle maree stellari sono uno dei pochissimi modi in cui gli astronomi conoscono l’esistenza di buchi neri supermassicci al centro delle galassie e ne misurano le proprietà. Tuttavia, a causa dell’estremo costo computazionale nella simulazione numerica di tali eventi, gli astronomi ancora non capiscono il processi complicati dopo un’interruzione di marea”.

Una seconda serie di osservazioni il 6 novembre, 29 giorni dopo l’osservazione di ottobre, ha rivelato che la luce era leggermente polarizzata, circa l’1%, suggerendo che la nuvola si era assottigliata abbastanza da rivelare la struttura asimmetrica del gas attorno al buco nero. Entrambe le osservazioni provenivano dal telescopio Shane di 3 metri al Lick Observatory vicino a San Jose, in California, dotato dello spettrografo Kast, uno strumento in grado di determinare la polarizzazione della luce sull’intero spettro ottico. La luce si polarizza — il suo campo elettrico vibra principalmente in una direzione — quando disperde gli elettroni nella nuvola di gas.

“Il disco di accrescimento stesso è abbastanza caldo da emettere la maggior parte della sua luce nei raggi X, ma quella luce deve passare attraverso questa nuvola e ci sono molti scattering, assorbimenti e riemissione di luce prima che possa fuoriuscire da questa nuvola”, ha detto Patra. “Con ciascuno di questi processi, la luce perde parte della sua energia fotonica, scendendo fino alle energie ultraviolette e ottiche. La dispersione finale determina quindi lo stato di polarizzazione del fotone. Quindi, misurando la polarizzazione, possiamo dedurre la geometria della superficie dove avviene la dispersione finale.”

Patra ha notato che questo scenario sul letto di morte può applicarsi solo alle normali interruzioni delle maree, non alle “bizzarre”, in cui getti di materiale relativistico vengono espulsi dai poli del buco nero. Solo più misurazioni della polarizzazione della luce da questi eventi risponderanno a questa domanda. “Gli studi sulla polarizzazione sono molto impegnativi e pochissime persone sono abbastanza esperte della tecnica in tutto il mondo da utilizzarla”, ha affermato. “Quindi, questo è un territorio inesplorato per eventi di interruzione delle maree”.

Il ricercatore di Patra, Filippenko, Lu e della UC Berkeley Thomas Brink, lo studente laureato Sergiy Vasylyev e il collega post-dottorato Yi Yang hanno riportato le loro osservazioni in un documento che è stato accettato per la pubblicazione sulla rivista Monthly Notice of the Royal Astronomical Society .

Una nuvola 100 volte più grande dell’orbita terrestre

I ricercatori della UC Berkeley hanno calcolato che la luce polarizzata è stata emessa dalla superficie di una nuvola sferica con un raggio di circa 100 unità astronomiche (au), 100 volte più lontano dalla stella di quanto lo sia la Terra dal sole. Un bagliore ottico da gas caldo emanato da una regione a circa 30 au.

Le osservazioni spettropolarimetriche del 2019, una tecnica che misura la polarizzazione su molte lunghezze d’onda della luce, riguardavano AT2019qiz, un’interruzione di marea situata in una galassia a spirale nella costellazione dell’Eridano. La polarizzazione zero dell’intero spettro di ottobre indica una nuvola di gas sfericamente simmetrica: tutti i fotoni polarizzati si bilanciano a vicenda. La leggera polarizzazione delle misurazioni di novembre indica una piccola asimmetria. Poiché queste interruzioni di marea si verificano così lontano, al centro di galassie lontane, appaiono solo come un punto luminoso e la polarizzazione è una delle poche indicazioni delle forme degli oggetti.

“Questi eventi di disturbo sono così lontani che non puoi risolverli davvero, quindi non puoi studiare la geometria dell’evento o la struttura di queste esplosioni”, ha detto Filippenko. “Ma studiare la luce polarizzata in realtà ci aiuta a dedurre alcune informazioni sulla distribuzione della materia in quell’esplosione o, in questo caso, su come si forma il gas — e forse il disco di accrescimento — attorno a questo buco nero”.

Il lavoro è stato sostenuto dall’UC Berkeley Miller Institute for Basic Research in Science, dal Christopher R. Redlich Fund, da Sunil Nagaraj, Landon Noll, Sandy Otellini, Gary e Cynthia Bengier, Clark e Sharon Winslow, Sandy Robertson e Stephen Nelson. La ricerca al Lick Observatory è parzialmente supportata da un generoso regalo di Google. Un importante aggiornamento, guidato da Brad Holden, dello spettrografo Kast sul telescopio da 3 metri C. Donald Shane del Lick Observatory è stato reso possibile grazie ai generosi doni della Heising-Simons Foundation, di William e Marina Kast e degli Osservatori dell’Università della California.