Un gruppo internazionale di ricercatori che lavorano presso l'istituto ICRAnet (centro di astrofisica relativistica creato a Pescara da Remo Ruffini) ha recentemente pubblicato uno studio che reinterpreta le osservazioni sulla dinamica degli oggetti vicini alla sorgente compatta Sagittarius A*, nel nucleo della Via Lattea a circa 26500 anni luce da noi.

 Tradizionalmente, si ritiene che SgrA* sia costituito da un buco nero super-massiccio di circa 4,1 milioni di masse solari, il cui orizzonte degli eventi ha quindi un diametro 24 milioni di km. La prova di questo deriva da osservazioni ad alta risoluzione fatte da grandi telescopi nell'arco di un trentennio, osservazioniche hanno permesso di seguire il movimento di alcune stelle (dette "S-stars") nelle sue immediate vicinanze. Tali studi, peraltro, sono valsi pochi giorni fa il premio Nobel a R.Genzel e A.Ghez. Qui invece viene presentata una teoria alternativa che sembra quasi farsi beffe del prestigioso riconoscimento appena conferito; sicuramente, non è una beffa voluta perchè il lavoro è stato pubblicato l'estate scorsa, ben prima dell'annuncio dalla reale accademia svedese.  

 Gli autori di questo nuovo studio si sono concentrati in particolare su due oggetti dalle caratteristiche interessanti: la stella S2 e la nebulosa G2. La prima si muove su un'orbita ellittica con periodo di 16 anni, raggiungendo i 5000 km/s di velocità nel punto più vicino, a sole 25 unità astronomiche dal buco nero. Due anni fa, peraltro, è stato possibile misurare anche l'effetto Doppler relativistico prodotto dalla gravità del buco nero sulla luce di questo astro. L'altro celebre oggetto preso in considerazione è chiamato G2 ed è una nube di gas che però ospita un oggetto compatto al suo interno, probabilmente una stella oscurata da polvere interstellare; nel 2014 è passata a una distanza minima di circa 40 miliardi di km dal buco nero senza dissolversi ma, nella fase successiva, la sua velocità di avvicinamento a noi è risultata sistematicamente inferiore a quanto atteso dal modello classico.

Ruffini orbits2

Credits: E. A. Becerra-Vergara et al.: S2 and G2 as test of fermionic dark matter - Processing: Marco Di Lorenzo 

 Le traiettorie apparenti di S2 e G2 sono riportate nelle illustrazioni qui sopra, dove l'unità di misura sono i millesimi di secondo d'arco (mas) misurati a partire dalla posizione presunta di SgrA*. La curva blu trattegiata indica il modello "classico" con un buco nero da 4,075 milioni di masse solari, quella rossa continua è invece il modello degli autori (RAR sta per Ruffini-Argüelles-Rueda) con la materia oscura che forma una condensazione centrale di massa di circa 3,5 milioni di masse solari e un raggio di circa 20 miliardi di km (130 au), circondato da un alone diffuso la cui densità diminuisce con l'inverso del quadrato della distanza.

Ruffini S2 speed

Credits: E. A. Becerra-Vergara et al.: S2 and G2 as test of fermionic dark matter - Processing: Marco Di Lorenzo 

 I grafici qui sopra mostrano l'ottima capacità del modello basato sulla condensazione di materia oscura nel giustificare la curva di velocità radiale osservata nell'oggetto G2 dopo il passaggio alla minima distanza; peraltro, tale passaggio sarebbe avvenuto quasi un anno prima di quanto previsto nel modello classico; quest'ultimo, come abbiamo detto, fallisce nel descrivere correttamente la velocità a meno di non ricorrere ad un provvidenziale effetto di frenamento per attrito, causato da un disco di accrescimento che, peraltro, non sembra influenzaree la velocità di S2, che pure si è avvicinata molto di più al presunto buco nero. Nel caso del modello qui presentato, il differente comportamento di G è invece spiegato dal tempo maggiore trascorso da G nella regione di transizione dell'alone diffuso, dove la densità cambia rapidamente.

 Di seguito, i parametri salienti sulle orbite dei due oggetti secondo i due differenti modelli.

Ruffini params

Credits: E. A. Becerra-Vergara et al.: S2 and G2 as test of fermionic dark matter - Processing: Marco Di Lorenzo

 Il modello di Ruffini e colleghi ha anche il pregio di spiegare la curva di rotazione nel rigonfiamento centrale (bulge) galattico, illustrata nella porzione superiore della figura sottostante; il contributo di questa componente è rappresentato dalla curva continua in nero mentre in verde ci sono i contributi della materia barionica ordinaria nel bulge e nel disco; la combinazione delle tre curve, in rosso, è in ottimo accordo con le misure sperimentali (in grigio). La porzione inferiore dell'illustrazione invece riporta la densità in funzione della distanza dal centro galattico. Si vede come la concentrazione centrale abbia una densità praticamente costante, determinata dalla "repulsione" tra le particelle che, essendo "fermioni" (ovvero particelle con spin semi-intero che obbediscono alla cosiddetta statistica di Fermi-Dirac) rispettano il principio di Esclusione di Pauli; questo genera una sorta di pressione interna che impedisce loro di collassare e formare un buco nero, esattamente come avviene nel gas degenere che costituisce le nane bianche.

Ruffini density

Credits: E. A. Becerra-Vergara et al.: S2 and G2 as test of fermionic dark matter - Processing: Marco Di Lorenzo

 L'alone diffuso attorno alla concentrazione centrale (detta "quantum-core") deriverebbe naturalmente dal fenomeno di fuga termica delle particelle, la cui massa determina appunto le dimensioni tipiche di questo alone. La massa supposta dagli autori per queste particelle fermioniche di materia oscura ammonta a 56 keV/c2, nove volte più piccola di quella di un elettrone; studi precedenti avevano indicato che essa deve comunque cadere tra 48 e 345 keV/c2. Un alone più ampio con densità bassa e costante determina invece la curva di rotazione piatta della Via Lattea.

 Gli autori concludono che, per poter verificare la loro teoria, sarà necessario studiare con dettaglio ancora maggiore la dinamica delle stelle nelle regioni centrali della Via Lattea; tuttavia, una verifica di altro genere potrebbe derivare anche dal progetto EHT che, tra non molto, pubblicherà i risultati dell'interferometria ad altissima risoluzione su SgrA*, dopo la storica immagine del buco nero in M87.

 

Riferimenti:
https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2020/09/aa35990-19.pdf
https://aasnova.org/2017/07/24/the-story-of-a-boring-encounter-with-a-black-hole/