Universe

Buchi neri: Hubble ne scova uno di massa intermedia

Quando si pensa ai buchi neri di solito la mente va subito ai buchi neri supermassicci, a volte più massicci del nostro sole di miliardi di volte, oppure a quelli di massa solare che si formano quando una grande stella collassa su se stessa. Esistono però molti tipi di buco nero in agguato nell’universo e uno dei più rari è proprio il buco nero di massa intermedia.

I buchi neri di massa intermedia sono un “anello mancante” a lungo ricercato, di cui oggi sono stati trovati solo alcuni candidati. Sono più piccoli dei buchi neri supermassicci che risiedono nei nuclei delle grandi galassie, ma più grandi dei buchi neri di massa stellare formati dal collasso di stelle massicce. L’oggetto di un nuovo studio pubblicato su Astrophysical Journal Letters, è un buco nero la cui massa è di oltre 50mila volte la massa del Sole.

Purtroppo per noi, i buchi neri di massa intermedia sono piuttosto difficili da trovare. «Sono oggetti molto sfuggenti ed è fondamentale considerare attentamente, ed eventualmente escluderle, spiegazioni alternative per ciascun candidato.

ammasso globulare 47 Tucanae
La caccia ai buchi neri di massa intermedia (IMBH) è iniziata negli ultimi anni e ora ci sono dozzine di candidati promettenti.

Questo è ciò che Hubble ci ha permesso di fare con il nostro candidato», spiega Dacheng Lin dell’Università del New Hampshire, primo autore dello studio. Lin e il suo team hanno utilizzato il telescopio spaziale Hubble per fare un follow-up ottico delle osservazioni X effettuate da Chandra della Nasa e dalla missione Xmm-Newton dell’Esa.

«L’aggiunta di ulteriori osservazioni a raggi X, ci ha permesso di comprendere la produzione totale di energia», aggiunge Natalie Webb, membro del team dell’Università di Tolosa in Francia. «Questo ci ha aiutato a capire il tipo di stella che è stata distrutta dal buco nero».

Nel 2006 questi satelliti ad alta energia hanno rilevato un potente bagliore a raggi X, ma non era chiaro se provenisse dall’interno o dall’esterno della nostra galassia. I ricercatori lo hanno attribuito a una stella distrutta dopo essersi avvicinata troppo a un oggetto compatto, gravitazionalmente molto potente, come un buco nero.

Sorprendentemente, la sorgente a raggi X – chiamata 3Xmm J215022.4-055108 – non si trovava al centro di una galassia, dove normalmente risiedono enormi buchi neri, e questo ha fatto sperare che il colpevole dell’emissione fosse un buco nero di massa intermedia. Tuttavia, prima di esserne certi, si doveva escludere altre possibili sorgenti di radiazione X, quale ad esempio una stella di neutroni della nostra galassia.

Hubble è stato puntato in direzione della sorgente X, per riuscire a individuarla e capire esattamente la sua posizione. Le immagini ad alta risoluzione hanno confermato che i raggi X non provenivano da una sorgente isolata nella nostra galassia, bensì da un ammasso stellare distante e denso alla periferia di un’altra galassia, che è proprio il posto ideale in cui gli astronomi si aspettavano di trovare l’evidenza di buchi neri di massa intermedia.

Osservazioni precedenti effettuate con il telescopio spaziale Hubble, avevano dimostrato che più è massiccia la galassia, più massiccio è il suo buco nero. Pertanto, questo nuovo risultato suggerisce che l’ammasso stellare che ospita 3Xmm J215022.4-055108 potrebbe essere ciò che è rimasto del nucleo di una galassia nana di bassa massa, che è stata distrutta dall’interazione gravitazionale con la sua attuale galassia ospite.

buco nero, chiamato 3Xmm J215022.4-055108
Questa immagine del telescopio spaziale Hubble evidenzia la posizione di un buco nero di massa intermedia oggetto dello studio, la cui massa è 50mila volte la massa del. Il buco nero, chiamato 3Xmm J215022.4-055108, è indicato dal cerchio bianco. Le immagini ad alta risoluzione di Hubble mostrano che il buco nero risiede in un denso ammasso stellare, ben al di fuori della nostra galassia. Questa foto è stata scattata con la Advanced Camera for Surveys di Hubble. Crediti: Nasa, Esa e D. Lin (Università del New Hampshire)

I buchi neri di massa intermedia sono particolarmente difficili da trovare perché sono più piccoli e meno attivi dei buchi neri supermassicci. Non hanno fonti di combustibile prontamente disponibili, né hanno una forza gravitazionale sufficientemente forte da poter attrarre costantemente stelle e altro materiale cosmico e produrre di conseguenza il bagliore che ci permetterebbe di rivelarle. Gli astronomi devono quindi riuscire a catturare un Imbh in flagrante, nell’atto piuttosto raro di divorare una stella.

Lin e i suoi colleghi hanno esaminato l’archivio dei dati di Xmm-Newton, cercando tra centinaia di migliaia di sorgenti, a caccia di prove tangibili di questo candidato Imbh. Una volta trovate, il bagliore X generato dalla stella distrutta dal buco nero ha permesso agli astronomi di stimare la massa del buco nero stesso.

Confermare un Imbh apre la porta alla possibilità che ve ne siano molti altri, nascosti nel buio, in attesa di divorare una stella troppo audace che passa nelle vicinanze. Lin intende continuare questo meticoloso lavoro investigativo, usando i metodi sviluppati dal suo team, che finora hanno avuto successo. «Studiare l’origine e l’evoluzione dei buchi neri di massa intermedia», dice Webb, «fornirà finalmente una risposta su come sono nati i buchi neri supermassicci, che troviamo nei centri delle galassie massicce».

I buchi neri sono uno degli ambienti più estremi che conosciamo e rappresentano un banco di prova per le leggi della fisica e per la nostra comprensione dell’universo. Ma come si formano i buchi neri di massa intermedia? E i buchi neri supermassicci, prima erano buchi neri di massa intermedia? La loro casa preferita sono i densi ammassi stellari? Gli astronomi hanno compreso un mistero, ma come vedete le domande che richiedono una risposta sono ancora tantissime.

Osservazione

C’è minore evidenza riguardo alla loro esistenza che per i stellari e i supermassicci. Alcune sorgenti di raggi X ultraluminosi (ULXs) in galassie vicine sono sospettate di essere degli IMBH, con dimensioni che vanno da cento a mille masse solari.

Le ULXs si possono osservare in regioni di formazione stellare (per es., nella galassia M82, vedi collegamenti esterni per le bellissime immagini di questa galassia), e sono apparentemente associate a giovani ammassi stellari pure osservabili in queste regioni.

Comunque solo una misurazione dinamica della massa dall’analisi tramite lo spettro ottico della stella compagna, può svelare la presenza di un buco nero di massa intermedia quale centro compatto di accrescimento della sorgente di raggi X ultraluminosi.

Evidenze ulteriori riguardo all’esistenza degli IMBH possono essere ottenute dall’osservazione della radiazione gravitazionale, emessa dai residui compatti che orbitano attorno all’IMBH. Inoltre, la relazione M-sigma predice l’esistenza di buchi neri con masse da 10000 a 1000000 M in galassie a bassa luminosità.

Ipotesi sulla formazione

Uno dei misteri di due buchi neri di massa intermedia riguarda proprio la loro formazione: secondo gli scienziati i buchi neri di massa intermedia si formano all’interno di dense nubi stellari. Una volta che il buco nero si è formato comincia a divorare la materiale circostante ma quando esso, costituito perlopiù da polveri e gas, termina, il buco nero resta senza cibo. Proprio perchè non diventano enormi, la loro radiazione è limitata e dunque sono più difficilmente individuabili rispetto ai buchi neri supermassicci.

L’unico metodo, attualmente conosciuto, per individuare un buco nero medio ù aspettare che una stella di passi vicino e comincia a disintegrarsi a causa della forte gravità del buco nero stesso. è proprio questo il metodo che hanno utilizzato per individuare il candidato poi annunciato nello studio apparso su Nature Astronomy, situato in una galassia lontana 740 milioni di anni luce.

Ad ogni modo non è chiaro come tali buchi neri si formerebbero. Da un lato, essi sono troppo massivi per essere formati dal collasso gravitazionale di una singola stella, che è il modo in cui i buchi neri stellari si presume si formino.

D’altra parte, i loro ambienti sono privi di quelle condizioni estreme — cioè le alte densità e velocità osservate nei centri delle galassie — che sembrano condurre alla formazione di buchi neri supermassivi. Ci sono due popolari simulazioni riguardo alla formazione degli IMBH.

Il primo, è la fusione di buchi neri stellari e altri oggetti compatti per mezzo della radiazione gravitazionale. Il secondo è la collisione incontrollata di stelle massicce in densi ammassi stellari e il conseguente collasso dei prodotti di collisione in IMBH.

La caccia agli IMBH

Andando avanti, i ricercatori faranno affidamento su una varietà di metodi per scoprire una serie di più buchi neri di medie dimensioni. In questo modo vogliono usare gli IMBH per aiutare a ricostruire come i grandi buchi neri crescono e si evolvono nel tempo.

buchi neri
Situata a circa 290 milioni di anni luce dalla Terra, si pensa che la galassia a spirale edge-on ESO 243-49 ospiti uno dei primi candidati forti per un buco nero di massa intermedia, HLX-1. Il buco nero (cerchiato) è stato trovato vicino al bordo della galassia all’interno di un gruppo di giovani stelle.

Fortunatamente grazie ai recenti successi del progetto LIGO-Virgo-onde gravitazionali – che ha identificato 20 buchi neri di massa stellare gli astronomi sondando le onde gravitazionali dell’universo prodotte dalla fusione dei buchi neri – così i ricercatori hanno un nuovo metodo per la ricerca di buchi neri di piccole e medie dimensioni.

Sebbene la collaborazione LIGO-Virgo non abbia ancora scoperto le onde gravitazionali da fusioni tra buchi neri più grandi di circa 40 masse solari, secondo il sito web LIGO , “in futuro, con un miglioramento della sensibilità dei rivelatori di onde gravitazionali, avremo una migliore comprensione della frequenza delle fusioni di IMBH. La terza serie di osservazioni ha iniziato a raccogliere dati dal 1 ° aprile 2019 e gli scienziati delle onde gravitazionali sperano presto di osservare queste debolissime fonti ”

Quindi rimanete sintonizzati, perché nei prossimi anni potremmo trovare la prova definitiva del legame mancante tra buchi neri di piccola e grande taglia. Solo così saremo in grado di svelare la loro origine, così come quelle dei buchi neri supermassicci.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Leggi su Astrophysical Journal Letters l’articolo “Multiwavelength Follow-up of the Hyperluminous Intermediate-mass Black Hole Candidate 3XMM J215022.4−055108” di D. Lin, J. Strader, A. J. Romanowsky, J. A. Irwin, O. Godet, D. Barret, N. A. Webb, J. Homan e R. A. Remillard
  2. Star shredded by rare breed of black hole / Space Science / Our Activities / ESA (IA)
  3. A luminous X-ray outburst from an intermediate-mass black hole in an off-centre star cluster | Nature Astronomy (DOI: 10.1038 / s41550-018-0493-1) (IA)
  4. Con il telescopio James Webb si potrà guardare indietro nel tempo per capire la nascita dei buchi neri (19/9/2018)
  5. Intercettato più lontano buco nero “oscurato” risalente a 850 milioni di anni dopo big bang (9/8/2019)
  6. Scoperti buchi neri ultramassivi 10 miliardi di volte più massicci del Sole (20/2/2018)
  7. Buchi neri supermassicci al centro di galassie ancora più affamati e grossi di quanto si pensi (15/2/2018)
  8. Scoperta coppia di buchi neri supermassicci distanti solo un anno luce (20/9/2017)
  9. Scoperto un buco nero supermassiccio in una piccola galassia nana supercompatta (16/8/2018)
  10. Individuato il più piccolo buco nero, largo solo 19 km ma con una massa tre volte quella del Sole (1/11/2019)
  11. Via Lattea potrebbe contenere buchi neri supermassicci vaganti (26/4/2018)
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