Riassunto:
Nascosto al centro della Via Lattea c'è un buco nero supermassiccio con una massa pari a circa 4 milioni di volte quella del Sole: Sagittarius A*. Anche se si trova a circa 26.000 anni luce dalla Terra e la sua attuale attività complessiva è relativamente tranquilla, potrebbe avere un modo sorprendente di rilasciare energia: sacrificando la propria energia di rotazione, accelera le particelle circostanti a energie estremamente elevate e fornisce energia ad alcuni raggi cosmici nella Via Lattea.
Il 17 ottobre 2026, SciTechDaily ha riportato un ultimo studio teorico su questo meccanismo. I ricercatori propongono che Sagittarius A* possa trasferire l’energia rotazionale del buco nero ai protoni attraverso un meccanismo chiamato “processo magnetico di Penrose”, consentendo a queste particelle di raggiungere livelli energetici di diversi petaelettronvolt (PeV). I risultati della ricerca supportano ulteriormente l’ipotesi che Sagittarius A* possa essere un acceleratore naturale di particelle ad altissima energia nella Via Lattea.
Lo studio è stato pubblicato come prestampa il 2 settembre 2026, intitolato "Sagittarius A* as a Galactic Electron Voltaic Particle Accelerator: Multi-messenger Characteristics of the Magnetic Penrose Process". Attraverso la modellazione teorica, il gruppo di ricerca ha analizzato come le particelle vicino al buco nero acquisiscono un’energia estremamente elevata e quali segnali questo processo può lasciare dietro di sé e che possono essere identificati mediante osservazioni astronomiche. Al momento questa è ancora una spiegazione teorica che deve essere verificata mediante l’osservazione, e ciò non significa che gli scienziati abbiano confermato che il buco nero al centro della Via Lattea stia accelerando i raggi cosmici in questo modo.
I raggi cosmici sono particelle ad alta energia che viaggiano attraverso lo spazio a velocità estremamente elevate, inclusi protoni, nuclei atomici e un piccolo numero di elettroni. La loro gamma di energia è estremamente ampia e alcuni raggi cosmici trasportano energie ben oltre ciò che gli esseri umani possono ottenere con gli acceleratori di particelle esistenti. Gli scienziati hanno cercato a lungo di capire da dove provengano queste particelle e quale meccanismo utilizzi la natura per accelerarle fino a raggiungere energie così sorprendenti.
Sulla Terra, gli esseri umani utilizzano grandi acceleratori di particelle per aumentare gradualmente l'energia delle particelle cariche attraverso campi elettrici. Ma nell’universo, i resti di supernova, i venti delle pulsar e gli ambienti estremi attorno ai buchi neri potrebbero diventare acceleratori di particelle naturali. Il centro della Via Lattea è particolarmente preoccupante perché contiene buchi neri supermassicci, grandi quantità di gas, forti campi magnetici e un complesso ambiente ricco di radiazioni ad alta energia.
I ricercatori stimano che i protoni vicino a Sagittarius A* possano essere accelerati fino a energie di diversi peta elettronvolt. Un peta elettronvolt equivale a 1.000 trilioni di elettronvolt o 10¹⁵ elettronvolt. Questo livello di energia supera di gran lunga l'energia di un singolo protone raggiunto dalle collisioni di protoni nel Large Hadron Collider. Pertanto, se il meccanismo in questione esiste davvero, Sagittarius A* potrebbe diventare una delle fonti più importanti di particelle ad alta energia nella Via Lattea.
Questo tipo di corpo celeste che può accelerare i protoni al livello energetico dell'elettronvolt è chiamato "PeVatron", che è un acceleratore di particelle al livello dell'elettronvolt. Gli astronomi hanno osservato raggi gamma ad alta energia al centro della Via Lattea, ma è ancora controverso se queste radiazioni provengano dall’accelerazione delle particelle vicino al buco nero o dall’interazione di altri corpi celesti con raggi cosmici su scala più ampia.
Normalmente, la radiazione luminosa attorno a un buco nero proviene principalmente dal materiale caduto nel buco nero prima che cadesse. Il gas si raccoglie, si comprime e si riscalda sotto l’attrazione gravitazionale del buco nero, formando un flusso di accrescimento ad alta temperatura o disco di accrescimento, e il materiale rilascia una grande quantità di energia prima di attraversare finalmente l’orizzonte degli eventi.
Ma i buchi neri stessi non si limitano a inghiottire energia. Nel caso dei buchi neri rotanti, l'energia trasportata dalla rotazione può essere estratta anche in determinate condizioni. È su questo meccanismo che utilizza direttamente l’energia rotazionale dei buchi neri che i ricercatori si stanno concentrando questa volta.
Questa teoria può essere fatta risalire al processo di Penrose proposto dal fisico Roger Penrose nel 1969. Secondo la relatività generale, esiste una regione chiamata "ergosfera" attorno a un buco nero rotante. Qui, la rotazione del buco nero trascina lo spazio-tempo circostante così fortemente che gli oggetti non possono rimanere fermi rispetto a un osservatore distante, ma devono muoversi nella direzione della rotazione del buco nero.
In determinate condizioni, se le particelle entrano nello strato energetico e subiscono opportuni processi di scissione, alcune di esse possono cadere nel buco nero trasportando energia negativa definita relativa all'infinito, mentre l'altra parte può fuoriuscire con più energia delle particelle originarie. L'energia extra guadagnata dalle particelle in fuga proviene dall'energia rotazionale del buco nero stesso.
Consideralo come l'estrazione di energia meccanica da una macchina in rapida rotazione: le particelle in fuga guadagnano ulteriore energia, mentre l'energia di rotazione del buco nero viene ridotta di conseguenza. Il “consumo della propria energia” menzionato qui non significa che il buco nero brucia come combustibile, ma che la sua energia rotazionale viene trasferita a particelle esterne.
I ricercatori hanno ulteriormente considerato il ruolo dei campi magnetici in questo processo. Il processo magnetico di Penrose utilizza il campo magnetico attorno al buco nero per modificare il movimento e la distribuzione dell'energia delle particelle cariche, in modo che l'energia rotazionale del buco nero possa essere trasferita in modo più efficace alle particelle cariche come i protoni.
Nel modello proposto in questo studio, il collegamento chiave inizia con le reazioni nucleari nel gas caldo che circonda il buco nero. Alcune reazioni nucleari possono produrre neutroni. Dopo che questi neutroni entrano nello strato energetico di un buco nero, possono subire un decadimento radioattivo, producendo protoni, elettroni e antineutrini.
I neutroni stessi non sono carichi e quindi non sono direttamente influenzati dalla forza di Lorentz di un campo magnetico come i protoni. Ma i protoni prodotti dopo il decadimento dei neutroni hanno una carica elettrica e possono interagire con il campo magnetico circostante. I ricercatori ritengono che, nelle giuste condizioni, questi protoni potrebbero guadagnare energia dalla rotazione del buco nero e successivamente fuggire nello spazio interstellare più ampio.
Questo meccanismo non richiede che il buco nero sia estremamente attivo. L'attuale attività di accrescimento di Sagittarius A* è relativamente debole, ma ha ancora una massa enorme e un'energia rotazionale potenzialmente considerevole. Finché l’ambiente circostante ha il campo magnetico, le condizioni di generazione delle particelle e la geometria corrette, il processo di estrazione dell’energia è possibile.
Tuttavia, se il modello possa essere applicato al centro reale della Via Lattea dipende ancora da una serie di parametri che non sono stati ancora completamente determinati, tra cui la forza del campo magnetico attorno al buco nero, il tasso di produzione di particelle, lo stato di rotazione del buco nero e le varie perdite subite dalle particelle ad alta energia durante la loro fuga.
Se i protoni ad alta energia scappassero dalle vicinanze di un buco nero, potrebbero entrare in collisione con il gas denso al centro della Via Lattea mentre si propagano verso l'esterno, producendo raggi gamma e neutrini ad alta energia. Queste particelle secondarie forniscono agli scienziati un modo importante per testare le teorie.
I raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche ad energia estremamente elevata che non sono cariche, quindi quando attraversano lo spazio interstellare non vengono reindirizzati drasticamente dai campi magnetici come le particelle cariche nei raggi cosmici. La loro direzione di propagazione spesso aiuta gli astronomi a risalire alla fonte della radiazione. Al contrario, i protoni nei raggi cosmici sono influenzati dai campi magnetici interstellari e le loro traiettorie possono essere significativamente curve, rendendo difficile determinare dove hanno inizialmente accelerato direttamente dalla direzione in cui arrivano sulla Terra.
Il gruppo di ricerca ha calcolato lo spettro di energia dei raggi gamma che potrebbe essere prodotto dal processo magnetico di Penrose e ha confrontato i risultati del modello con le osservazioni esistenti. I ricercatori ritengono che la radiazione prodotta da questo meccanismo possa contribuire ad alcuni dei segnali nelle osservazioni di raggi gamma ad alta energia, compresi quelli rilevati dal sistema di telescopio stereoscopico ad alta energia H.E.S.S. e l'Osservatorio dei raggi gamma Cherenkov sull'acqua ad alta quota HAWC.
Se le caratteristiche dello spettro energetico previste da diversi modelli teorici potessero essere misurate in modo più accurato, i ricercatori avranno l'opportunità di determinare se il meccanismo di estrazione dell'energia di rotazione del buco nero è effettivamente all'opera nel centro della Via Lattea.
Le future apparecchiature di osservazione potrebbero essere fondamentali per testare questa teoria. Il gruppo di ricerca ha sottolineato che il previsto Osservatorio di raggi gamma a campo ampio dell’emisfero meridionale (SWGO) dovrebbe rilevare i segnali rilevanti previsti dal suo modello, e che il Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) potrebbe anche testare alcuni scenari teorici.
SWGO prevede di utilizzare un array di rilevamento su vasta area per monitorare continuamente i raggi gamma ad alta energia, che è particolarmente adatto per osservare importanti aree del cielo come il centro della Via Lattea. Gli strumenti ad ampio campo possono monitorare i cambiamenti nella radiazione ad alta energia nel cielo per periodi di tempo più lunghi rispetto ai telescopi che possono essere puntati su un bersaglio specifico solo per un tempo limitato, aiutando i ricercatori a studiare i processi di accelerazione delle particelle in corso.
Tuttavia, la sola scoperta dei raggi gamma ad alta energia non è sufficiente per dimostrare l'esistenza del processo magnetico di Penrose. L’ambiente al centro della Via Lattea è estremamente complesso, con non solo buchi neri supermassicci, ma anche un gran numero di stelle, dense nubi di gas, altre potenziali fonti di accelerazione di particelle ad alta energia e un’ampia gamma di radiazioni diffuse. Meccanismi diversi possono produrre segnali osservati simili.
Quindi gli scienziati devono combinare i raggi gamma con altri tipi di osservazioni, in particolare con i segnali dei neutrini. Quando i protoni ad alta energia entrano in collisione con il gas, oltre a produrre raggi gamma, possono anche produrre neutrini. I neutrini interagiscono in modo estremamente debole con la materia e possono fuggire da densi ambienti celesti, fornendo ai ricercatori un altro indizio sui processi di accelerazione delle particelle.
Ma attualmente, le osservazioni dei neutrini al centro della Via Lattea non hanno dato risultati sufficienti per determinare il meccanismo rilevante. Nel settembre 2026, un’analisi pubblicata dall’IceCube Neutrino Observatory in collaborazione con HAWC non ha rilevato alcun segnale significativo di neutrini al centro della Via Lattea e ha fissato nuovi limiti all’intensità della radiazione associata. I ricercatori hanno sottolineato che in futuro strutture di osservazione dei neutrini più sensibili come IceCube-Gen2, KM3NeT e P-ONE potrebbero aiutare gli scienziati a determinare ulteriormente se i raggi gamma ad alta energia nel centro della Via Lattea provengono principalmente dall’interazione tra protoni e gas.
Questo background mostra anche che, sebbene il meccanismo di estrazione dell'energia del buco nero abbia una base teorica chiara, sono ancora necessari dati più ricchi e precisi per collegarlo alle osservazioni reali. I ricercatori devono escludere altre possibili fonti di radiazioni ad alta energia e verificare se le caratteristiche spettrali previste dalla teoria esistono effettivamente.
L'importanza di questo studio è che fornisce una spiegazione per la fonte di raggi cosmici ad alta energia al centro della Via Lattea che può essere ulteriormente testata. Tradizionalmente, gli scienziati si concentrano solitamente su come le esplosioni di supernova, le onde d’urto e i campi magnetici accelerano i raggi cosmici; mentre il processo magnetico di Penrose rivolge la loro attenzione all'energia rotazionale del buco nero stesso, indicando che anche se il buco nero si trova in uno stato relativamente calmo, può trasmettere energia a particelle esterne attraverso speciali meccanismi fisici.
Se le osservazioni future confermassero che questo processo effettivamente avviene, Sagittarius A* non sarà solo un'enorme fonte gravitazionale al centro della Via Lattea, ma potrebbe anche essere un'importante fonte di energia che influenza l'ambiente delle particelle ad alta energia della Via Lattea. Ciò aiuterà anche gli scienziati a comprendere meglio come i buchi neri supermassicci influenzano il gas circostante, l’ambiente radiante e l’evoluzione dell’intera regione centrale della galassia attraverso il rilascio di energia.
Al momento, ciò che i ricercatori hanno proposto è ancora un modello teorico, non un processo di estrazione dell'energia da parte di un buco nero che è stato direttamente confermato. I futuri risultati delle osservazioni di SWGO, CTAO e di apparecchiature di osservazione dei neutrini di nuova generazione aiuteranno a determinare se queste previsioni sono coerenti con le prestazioni dell’universo reale. Per gli esseri umani, il buco nero al centro della Via Lattea nasconde ancora molti misteri, e i raggi cosmici potrebbero contenere indizi importanti su come funziona la sua energia.
Commenti