Amici della Scienza

Osservazioni rilevano, la fusione dei primi buchi neri supermassicci

Gli astronomi che utilizzano il Very Large Telescope dell’ESO hanno osservato serbatoi di gas freddo attorno ad alcune delle prime galassie dell’Universo. Questi aloni di gas sono il cibo perfetto per i buchi neri supermassicci al centro di queste galassie, che ora vengono visti come erano oltre 12,5 miliardi di anni fa. Questa conservazione del cibo potrebbe spiegare come questi mostri cosmici siano cresciuti così velocemente durante un periodo nella storia dell’Universo noto come Alba Cosmica.

“Ora siamo in grado di dimostrare, per la prima volta, che le galassie primordiali hanno abbastanza cibo nei loro ambienti per sostenere sia la crescita dei buchi neri supermassicci che la formazione di stelle massive”, afferma Emanuele Paolo Farina, dell’Istituto Max Planck per l’astronomia a Heidelberg, in Germania, che ha guidato la ricerca pubblicata oggi su The Astrophysical Journal . “Questo aggiunge un pezzo fondamentale al puzzle che gli astronomi stanno costruendo per immaginare come si siano formate le strutture cosmiche più di 12 miliardi di anni fa.”

Questa immagine mostra uno degli aloni di gas appena osservato con lo strumento MUSE sul Very Large Telescope dell'ESO sovrapposto a un'immagine più vecchia di una fusione di galassie ottenuta con ALMA. L'alone su larga scala dell'idrogeno gassoso è mostrato in blu, mentre i dati ALMA sono mostrati in arancione. | Credito: ESO / Farina et al .; ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), Decarli et al.
Questa immagine mostra uno degli aloni di gas appena osservato con lo strumento MUSE sul Very Large Telescope dell’ESO sovrapposto a un’immagine più vecchia di una fusione di galassie ottenuta con ALMA. L’alone su larga scala dell’idrogeno gassoso è mostrato in blu, mentre i dati ALMA sono mostrati in arancione. Credito: ESO / Farina et al .; ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), Decarli et al.

Gli astronomi si sono chiesti come i buchi neri supermassicci siano stati in grado di crescere così grandi e così presto nella storia dell’Universo. “La presenza di questi primi mostri, con masse diverse miliardi di volte la massa del nostro Sole, è un grande mistero”, afferma Farina, che è anche affiliato al Max Planck Institute for Astrophysics di Garching bei München. Significa che i primi buchi neri, che potrebbero essersi formati dal collasso delle prime stelle, devono essere cresciuti molto velocemente. Ma fino ad ora gli astronomi non avevano individuato “cibo di buchi neri” – gas e polvere – in quantità sufficienti per spiegare questa rapida crescita.

A complicare ulteriormente le cose, precedenti osservazioni con ALMA, l’Aracama Large Millimeter / submillimeter Array, hanno rivelato molta polvere e gas in queste prime galassie che hanno alimentato la rapida formazione di stelle. Queste osservazioni ALMA hanno suggerito che potrebbe essere rimasto poco per alimentare un buco nero.

Per risolvere questo mistero, Farina e i suoi colleghi hanno usato lo strumento MUSE sul Very Large Telescope dell’ESO nel deserto cileno di Atacama per studiare i quasar – oggetti estremamente luminosi alimentati da buchi neri supermassicci che si trovano al centro di enormi galassie. Lo studio ha coinvolto 31 quasar distanti più di 12,5 miliardi di anni fa, quando l’Universo era ancora giovane, solo  870 milioni di anni. Questo è uno dei più grandi campioni di quasar primordiali dell’Universo da esaminare.

Gli astronomi hanno scoperto che 12 quasar erano circondati da enormi serbatoi di gas: aloni di gas idrogeno freddo e denso che si estendevano per 100.000 anni luce dai buchi neri centrali e con miliardi di volte la massa del Sole. Il team, proveniente da Germania, Stati Uniti, Italia e Cile, ha anche scoperto che questi aloni di gas erano strettamente legati alle galassie, fornendo la fonte di cibo perfetta per sostenere sia la crescita di buchi neri supermassicci che una vigorosa formazione stellare.

La ricerca è stata possibile grazie alla superba sensibilità del MUSE, l’Explorer spettroscopico Multi Unit, sul VLT dell’ESO, che Farina afferma sia stato “un punto di svolta” nello studio dei quasar. “Nel giro di poche ore, siamo stati in grado di scavare nei dintorni dei più grandi e voraci buchi neri presenti nel giovane Universo”, aggiunge. Mentre i quasar sono luminosi, i serbatoi di gas attorno a loro sono molto più difficili da osservare. Ma MUSE potrebbe rilevare il debole bagliore del gas idrogeno negli aloni, consentendo agli astronomi di rivelare finalmente le scorte di cibo che alimentano i buchi neri supermassicci nell’universo primordiale.

In futuro, Extremely Large Telescope dell’ESO aiuterà gli scienziati a rivelare ulteriori dettagli sulle galassie e sui buchi neri supermassicci nei primi due miliardi di anni dopo il Big Bang. “Con il potere dell’ELT, saremo in grado di approfondire ancora di più l’Universo primordiale per trovare molte più nebulose di gas”, conclude Farina.

Formazione di buchi neri supermassicci

I buchi neri supermassicci hanno alcune interessanti proprietà che li distinguono dai loro simili di minori dimensioni:

  • la densità media, intesa come il rapporto fra massa del buco nero e volume racchiuso entro l’orizzonte degli eventi, di un buco nero supermassiccio può essere uguale (per buchi neri di 1,36 x 108 masse solari) o anche inferiore a quella dell’acqua (per buchi neri di massa maggiore di 1,36 x 108 masse solari). Infatti, tenendo conto che il raggio di Schwarzschild d’un grave aumenta linearmente con la sua massa, e che il volume di un oggetto sferico, come un buco nero non rotante, è proporzionale al cubo del suo raggio, si deduce che la densità d’un buco nero è inversamente proporzionale al quadrato della sua massa: essa cala progressivamente all’aumentare delle sue dimensioni; quindi i buchi neri supermassicci hanno densità più basse di quelli più piccoli.
  • le forze di marea, molto intense presso i buchi neri minori, sono assai deboli in prossimità di quelli supermassicci: poiché la singolarità gravitazionale è così lontana dall’orizzonte degli eventi, un ipotetico astronauta che viaggiasse verso il centro del buco nero non esperimenterebbe forze di marea significative, prima d’inoltrarsi ampiamente dentro esso.

Sulla formazione sono stati ipotizzati vari modelli per spiegare la formazione di buchi neri di queste dimensioni. La prima e più ovvia è per accrezione lenta e graduale di materia a partire da un buco nero di grandezza stellare.

buco nero supermassiccio
Rappresentazione artistica di un buco nero supermassiccio che assorbe materia da una stella vicina. In basso: immagini che si pensa mostrino un buco nero supermassiccio che divora una stella nella galassia RXJ 1242-11. A sinistra: immagine ai raggi X. A destra: immagine ottica

Un secondo modello considera una grande nube di gas che collassa in una stella relativistica di dimensioni pari a centinaia di masse solari o anche più. Questa stella risulterebbe presto instabile alle perturbazioni radiali a causa della produzione di coppie elettrone-positrone nel suo nucleo e potrebbe quindi collassare in un buco nero senza esplodere in una supernova, che altrimenti emetterebbe gran parte della massa impedendole così di lasciare come residuo un buco nero supermassiccio.

Un altro modello considera un denso ammasso stellare che va incontro a collasso perché la capacità termica negativa del sistema porta la dispersione delle velocità verso valori relativistici.
Un’ulteriore ipotesi è l’evoluzione di un buco nero primordiale prodottosi a causa della pressione esterna nei primi istanti dopo il Big Bang.

Le difficoltà della formazione di un buco nero supermassiccio risiedono nell’enorme quantità di materia, dotata di un basso momento angolare, che deve venire condensata in un volume ristretto. Normalmente il processo di accrezione coinvolge la cessione verso l’esterno di una quantità di momento angolare e questo sembra essere un fattore limitante alla formazione buco nero con la tendenza a favorire invece la formazione del disco di accrescimento.

In base alle conoscenze attuali, sembra esserci una lacuna nella distribuzione statistica delle masse dei buchi neri. Si conoscono, infatti, buchi neri generati dal collasso di una stella che hanno masse fino a 33 volte quella solare; mentre il valore minimo per un buco supermassiccio è dell’ordine delle centinaia di migliaia di masse solari: pertanto sembra che ci sia una carenza di buchi neri di massa intermedia. Questa lacuna sembra suggerire un processo di formazione differente, sebbene alcuni autori ritengano che le sorgenti ultraluminose a raggi X (o ULX, UltraLuminous X-ray source) potrebbero corrispondere a questi oggetti di massa intermedia.

Tripletta di buchi neri supermassicci in Ngc 6240

Uno studio pubblicato su Astronomy & Astrophysics ha dimostrato per la prima volta che la galassia irregolare Ngc 6240 contiene non due bensì tre buchi neri supermassicci. È il primo caso del genere mai osservato, e contribuisce a comprendere la storia della formazione delle galassie più massicce: all‘origine potrebbe infatti esservi un processo di fusione simultanea fra galassie

Le galassie piuttosto grandi come la Via Lattea sono solitamente costituite da centinaia di miliardi di stelle e ospitano al loro centro un enorme buco nero con una massa che arriva a centinaia di milioni di masse solari: per questo, e per distinguerlo da buchi neri più piccoli, viene detto buco nero supermassicio.

Ci sono, tuttavia, numerosissime galassie che si incontrano e interagiscono tra loro in un processo di progressivo avvicinamento e successiva fusione dei rispettivi buchi neri. Fino a oggi si pensava che, tra molte centinaia di casi conosciuti, questa fosse la situazione della galassia “irregolare” conosciuta come Ngc 6240che si trova a oltre 300 milioni di anni luce da noi, nella costellazione dell’Ofiuco. La sua particolare forma ha fatto supporre agli astronomi che si fosse formata dalla collisione di due galassie più piccole, e che quindi contenesse ben due buchi neri supermassicci in progressivo avvicinamento. Questi due oggetti erano noti da più di 25 anni.

buchi neri supermassicci
La galassia irregolare Ngc 6240 con tre buchi neri supermassicci al suo interno. Crediti: P. Weilbacher (Aip), Nasa, Esa, the Hubble Heritage (Stsci/Aura)-Esa/Hubble Collaboration e A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/Nrao/Stony Brook University)

Il sistema galattico Ngc 6240, noto per essere una galassia ultraluminosa all’infrarosso, è stato studiato nel dettaglio praticamente in tutte le lunghezze d’onda, compresi i raggi X da parte del satellite Chandra della Nasa, ed è stato finora considerato un vero prototipo, un modello per l’interazione delle galassie.

Ora sono però arrivati i risultati di uno studio,  guidato da Wolfram Kollatschny dell’università tedesca di Göttingen e pubblicato su Astronomy & Astrophysics, a portare una notizia sorprendente: la scoperta di un terzo buco nero nel cuore di Ngc 6240. «Attraverso osservazioni con risoluzione spaziale estremamente elevata», dice infatti l’astrofisico, «siamo stati in grado di dimostrare che il sistema galattico interagente Ngc 6240 ospita non due – come precedentemente ipotizzato – bensì tre buchi neri supermassicci nel suo centro».

«Una tale concentrazione di buchi neri supermassicci non era mai stata scoperta prima nell’universo», aggiunge uno dei coautori dello studio, Peter Weilbacher del Leibniz Institute for Astrophysics di Potsdam (Germania). «Il caso analizzato fornisce la prova di un processo di fusione simultanea di tre galassie e dei loro buchi neri centrali».

Ognuno dei tre buchi neri supermassicci di Ngc 6240 ha una massa di oltre 90 milioni di volte quella del Sole, e la distanza che li separa è molto piccola: si trovano tutt’e tre entro un raggio di 3000 anni luce, vale a dire meno di un centesimo della dimensione totale della galassia che li ospita. La scoperta di questo sistema triplo è di fondamentale importanza per comprendere l’evoluzione delle galassie nel tempo. Finora non è stato possibile spiegare come le galassie più grandi e massicce si siano potute formare – nel corso degli ultimi 14 miliardi di anni, cioè l’età approssimativa del nostro universo –  semplicemente attraverso la normale interazione galattica e i relativi processi di fusione. «Se, tuttavia, avvenivano simultanei processi di fusione di diverse galassie, le galassie più grandi, con i loro buchi neri supermassicci centrali, si sarebbero potute evolvere molto più velocemente», spiega Weilbacher. «Le nostre osservazioni forniscono la prima indicazione di questo scenario».

Le esclusive osservazioni ad alta precisione della galassia Ngc 6240 sono state ottenute utilizzando lo spettrografo 3D Muse (Multi Unit Spectroscopic Explorer), montato sul Very Large Telescope dell’Eso, in Cile. Lo spettrografo è stato utilizzato in modalità ad alta risoluzionespaziale, avvalendosi anche di quattro stelle laser generate artificialmente e del sistema di ottica adattiva. Grazie a questa sofisticata tecnologia, le immagini ottenute sono caratterizzate da una nitidezza simile a quella del telescopio spaziale Hubble, ma con l’ulteriore vantaggio di avere, grazie a Mure, uno spettro per ciascun pixel dell’immagine. Questi spettri sono stati essenziali nel determinare il movimento e le masse dei buchi neri supermassicci in Ngc 6240.

Gli scienziati prevedono che l’imminente fusione dei buchi neri supermassicci genererà, entro pochi milioni di anni, onde gravitazionali molto forti. Nel prossimo futuro, i segnali prodotti da oggetti simili potranno essere misurati con nuovi strumenti quali il rivelatore di onde gravitazionali Lisa, o il tanto sospirato Einstein Telescope.

MEDIAINAF TV – Una simulazione al computer della Nasa ci mostra il corteggiamento gravitazionale fra due buchi neri supermassicci, colti mentre spiraleggiano l’uno attorno all’altro prima di fondersi.

Riferimenti e approfondimenti

  1. Emanuele Paolo Farina, Fabrizio Arrigoni-Battaia. L’indagine REQUIEM. I. Una ricerca dell’emissione nebulare estesa di Lyα intorno a 31 z> 5,7 Quasar . The Astrophysical Journal , 2019; 887 (2): 196 DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ab5847
  2. Fulvio Melia, The Edge of Infinity. Supermassive Black Holes in the Universe, Cambridge University Press, 2003, ISBN 978-0-521-81405-8.
  3. Fulvio Melia, The Galactic Supermassive Black Hole, Princeton University Press, 2007, ISBN 978-0-691-13129-0.
0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Notificami
guest
0 Commenti
Inline Feedbacks
View all comments
Translate »
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x