Il 9 settembre, 2018, gli astronomi hanno individuato un lampo da una galassia distante 860 milioni di anni luce. La fonte era un buco nero supermassiccio di circa 50 milioni di volte la massa del sole. Normalmente tranquillo, il gigante gravitazionale si svegliò improvvisamente per divorare una stella di passaggio in un raro caso noto come evento di interruzione delle maree. Mentre i detriti stellari cadevano verso il buco nero, ha rilasciato un'enorme quantità di energia sotto forma di luce.

Ricercatori del MIT, l'Osservatorio europeo meridionale, e altrove ha utilizzato più telescopi per tenere d'occhio l'evento, etichettato AT2018fyk. Con loro sorpresa, hanno osservato che mentre il buco nero supermassiccio consumava la stella, mostrava proprietà simili a quelle di molto più piccole, buchi neri di massa stellare.

I risultati, pubblicato oggi su Giornale Astrofisico, suggeriscono che l'accrescimento, o il modo in cui i buchi neri si evolvono mentre consumano materiale, è indipendente dalle loro dimensioni.

"Lo abbiamo dimostrato, se hai visto un buco nero, li hai visti tutti, in un senso, " dice l'autore dello studio Dheeraj "DJ" Pasham, ricercatore presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. "Quando gli lanci una palla di gas, tutti sembrano fare più o meno la stessa cosa. Sono la stessa bestia in termini di accrescimento".

I coautori di Pasham includono il principale ricercatore Ronald Remillard e l'ex studente laureato Anirudh Chiti al MIT, insieme ai ricercatori dell'Osservatorio europeo meridionale, Università di Cambridge, Università di Leida, Università di New York, l'Università del Maryland, Università di Curtin, l'Università di Amsterdam, e il Goddard Space Flight Center della NASA.

Un risveglio stellare

Quando piccoli buchi neri di massa stellare con una massa pari a circa 10 volte il nostro sole emettono un'esplosione di luce, è spesso in risposta a un afflusso di materiale da una stella compagna. Questa esplosione di radiazioni innesca un'evoluzione specifica della regione attorno al buco nero. Dalla quiescenza, un buco nero passa in una fase "morbida" dominata da un disco di accrescimento mentre il materiale stellare viene trascinato nel buco nero. Quando la quantità di afflusso di materiale diminuisce, si passa di nuovo a una fase "dura" in cui una corona incandescente prende il sopravvento. Il buco nero alla fine si stabilizza in una quiescenza costante, e questo intero ciclo di accrescimento può durare da poche settimane a mesi.

I fisici hanno osservato questo caratteristico ciclo di accrescimento in più buchi neri di massa stellare per diversi decenni. Ma per i buchi neri supermassicci, si pensava che questo processo avrebbe impiegato troppo tempo per essere catturato completamente, poiché questi golia sono normalmente pascolatori, nutrendosi lentamente di gas nelle regioni centrali di una galassia.

"Questo processo avviene normalmente su scale temporali di migliaia di anni nei buchi neri supermassicci, "Pasham dice. "Gli esseri umani non possono aspettare così a lungo per catturare qualcosa del genere."

Ma l'intero processo accelera quando un buco nero sperimenta all'improvviso, enorme afflusso di materiale, come durante un evento di interruzione di marea, quando una stella si avvicina abbastanza da essere ridotta a brandelli da un buco nero.

"In un evento di interruzione di marea, tutto è brusco, "Pasham dice. "Ti viene lanciato un improvviso pezzo di gas, e il buco nero si è improvvisamente svegliato, ed è come, 'whoa, c'è così tanto cibo, lasciami mangiare, mangiare, mangiare finché non è andato.' Così, sperimenta tutto in un breve lasso di tempo. Ciò ci consente di sondare tutti questi diversi stadi di accrescimento che le persone hanno conosciuto nei buchi neri di massa stellare".

Un ciclo supermassiccio

A settembre 2018, l'All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASASSN) ha raccolto i segnali di un'esplosione improvvisa. Gli scienziati hanno successivamente stabilito che il brillamento era il risultato di un evento di interruzione della marea che coinvolgeva un buco nero supermassiccio, che hanno etichettato TDE AT2018fyk. Wevers, Pasham, e i loro colleghi sono saltati all'erta e sono stati in grado di guidare più telescopi, ciascuno addestrato a mappare diverse bande dello spettro ultravioletto e dei raggi X, verso il sistema.

Il team ha raccolto dati in due anni, utilizzando i telescopi spaziali a raggi X XMM-Newton e il Chandra X-Ray Observatory, così come PI PIACEVOLE, lo strumento di monitoraggio a raggi X a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, e l'Osservatorio Rapido, insieme ai radiotelescopi in Australia.

"Abbiamo catturato il buco nero allo stato morbido con la formazione di un disco di accrescimento, e la maggior parte dell'emissione nell'ultravioletto, con pochissimi nella radiografia, " dice Pasham. "Poi il disco crolla, la corona si rafforza, e ora è molto luminoso ai raggi X. Alla fine non c'è molto gas di cui alimentarsi, e la luminosità complessiva diminuisce e torna a livelli non rilevabili."

I ricercatori stimano che il buco nero abbia distrutto una stella delle dimensioni del nostro sole. Nel processo, ha generato un enorme disco di accrescimento, largo circa 12 miliardi di chilometri, ed emesso gas che hanno stimato in circa 40, 000 Kelvin, o più di 70, 000 gradi Fahrenheit. Man mano che il disco diventava più debole e meno brillante, una corona di compatto, i raggi X ad alta energia hanno preso il sopravvento come fase dominante attorno al buco nero prima di svanire.

"Le persone hanno saputo che questo ciclo si verifica nei buchi neri di massa stellare, che sono solo circa 10 masse solari. Ora lo vediamo in qualcosa di 5 milioni di volte più grande, "dice Pasham.

"La prospettiva più eccitante per il futuro è che tali eventi di interruzione delle maree forniscano una finestra sulla formazione di strutture complesse molto vicine al buco nero supermassiccio come il disco di accrescimento e la corona, ", afferma l'autore principale Thomas Wevers, un borsista presso l'Osservatorio europeo meridionale. "Studiando come queste strutture si formano e interagiscono nell'ambiente estremo dopo la distruzione di una stella, speriamo di poter iniziare a comprendere meglio le leggi fisiche fondamentali che governano la loro esistenza".

Oltre a mostrare che i buchi neri sperimentano l'accrescimento allo stesso modo, indipendentemente dalle loro dimensioni, i risultati rappresentano solo la seconda volta che gli scienziati hanno catturato la formazione di una corona dall'inizio alla fine.

"Una corona è un'entità molto misteriosa, e nel caso dei buchi neri supermassicci, le persone hanno studiato le corone stabilite ma non sanno quando o come si sono formate, "Pasham afferma. "Abbiamo dimostrato che è possibile utilizzare gli eventi di interruzione delle maree per catturare la formazione della corona. Sono entusiasta di usare questi eventi in futuro per capire cos'è esattamente la corona".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.