Al centro della maggior parte delle galassie ci sono buchi neri così massicci - fino a diversi miliardi di volte la massa del nostro sole - che hanno guadagnato il descrittore "supermassiccio". Confronta questo con il tuo buco nero di massa stellare comune, da 10 a 100 volte la massa del nostro sole. Comprendere questi buchi neri supermassicci aiuterà gli astronomi a comprendere l'origine e l'evoluzione delle galassie. Una domanda aperta è se possono formare binari.

I buchi neri di massa stellare formano sistemi binari, due buchi neri che orbitano l'uno intorno all'altro, se si formano dal collasso di un sistema stellare binario, o forse quando due buchi neri si catturano a vicenda nella loro attrazione gravitazionale. Entrano a spirale, alla fine fondendosi in un evento così potente da inviare un'increspatura nello spazio e nel tempo nota come onda gravitazionale. Alcuni anni fa, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha rilevato per la prima volta onde gravitazionali da un tale evento.

Teoricamente poi, la fusione di due galassie potrebbe tradursi in un buco nero binario della varietà supermassiccia, ma finora gli astronomi non hanno rilevato inequivocabilmente uno di questi eventi. Il professore di astronomia e astrofisica della Penn State Michael Eracleous è in prima linea nella caccia.

"Circa dieci anni fa, sono stati pubblicati diversi articoli che affermavano di aver rilevato buchi neri supermassicci binari, " ha detto. "Avevo fatto un po' di lavoro sui buchi neri binari supermassicci quando ero uno studente laureato, quindi mi sono sentito in dovere di intraprendere un progetto per raccogliere molti dati per poter fare un contrappunto alle affermazioni di quei documenti. Una volta che ci sono entrato, Ho visto quanto fosse connesso all'evoluzione della galassia."

"Quando sono arrivato a Penn State, Sapevo che il dipartimento era perfetto per il tipo di ricerca che faccio, " ha detto. "Ho stretto ottimi rapporti con i miei colleghi qui, e ora so che se sarò mai bloccato, basta una tazza di caffè e una conversazione per chiarire le cose."

Allora come cerchi qualcosa che non hai mai visto?

"In gran parte dell'astronomia, l'osservazione viene prima:vediamo qualcosa e questo informa la nostra teoria, " ha detto Eracleous. "Per i buchi neri supermassicci binari, la teoria guida le osservazioni. Fino a quando non ne troviamo uno, le domande sono "Dovrebbero esistere?" e "Dobbiamo cercarli?" E la risposta a entrambe le domande è sicuramente "Sì".

Una delle principali differenze tra buchi neri supermassicci e buchi neri di massa stellare è il gas. Quando i buchi neri di massa stellare si formano dopo che una stella esplode in una supernova, la maggior parte del gas viene allontanata. Ma si pensa che i buchi neri supermassicci portino con sé gas. Questi gas emettono segnali luminosi che possono essere rilevati da grandi telescopi dotati di spettrografi qui sulla Terra, come l'Hobby-Eberly Telescope (HET) di 11 metri.

Eracleous ha spiegato che i gas vengono rilevati dallo spettrografo come righe di emissione di una particolare lunghezza d'onda e potrebbero essere la chiave per identificare un binario supermassiccio. Mentre i buchi neri orbitano l'uno intorno all'altro, le linee di emissione di questi gas si spostano per effetto Doppler. Le righe di emissione di un buco nero vengono spostate su lunghezze d'onda maggiori, e quelli dall'altro sono spostati a lunghezze d'onda più corte. Quindi gli scienziati si aspettano due linee di emissione separate, uno per ogni buco nero.

"Se potessimo seguire le linee di emissione nel corso di un'orbita, li vedremmo attraversare avanti e indietro mentre i segnali di ciascun buco nero si spostavano da una parte e poi dall'altra, " disse Eracleo.

Certo, la ricerca effettiva non è così semplice. Praticità come la disponibilità limitata di tempo sui grandi telescopi necessari per fare queste osservazioni significano che gli astronomi non possono semplicemente guardare e aspettare di vedere i segni rivelatori di un binario supermassiccio. Ma non ne hanno bisogno. Anziché, identificano i candidati da un sondaggio iniziale ed effettuano controlli regolari per vedere se gli spettri di questi candidati sono cambiati come ci si aspetterebbe in base ai modelli teorici.

"Usare il telescopio Hobby-Eberly per fare queste osservazioni ci semplifica la vita perché non abbiamo nemmeno bisogno di andare all'osservatorio per raccogliere i dati, " ha detto Eracleous. "L'HET è gestito da astronomi residenti che effettuano le osservazioni e ci inviano i dati".

Il processo è lento, ma Eracleous ha spiegato che una volta trovato un buco nero binario supermassiccio, la ricerca dovrebbe accelerare.

"Il primo buco nero binario supermassiccio confermato sarà come la Stele di Rosetta, " ha detto. "Ci dirà quali dei nostri modelli erano giusti e quali erano sbagliati. Ci consentirà di perfezionare le nostre prossime ricerche e dovremmo essere in grado di trovarne di più."

Gli astronomi stanno già sviluppando la tecnologia per le prossime ricerche. Eracleous è coinvolta nella progettazione della Laser Interferometer Space Antenna (LISA). LISA sta a LIGO come un buco nero supermassiccio sta a un buco nero di massa stellare. Dove LIGO è costituito da due laser lunghi quattro chilometri ad angolo retto l'uno rispetto all'altro, I tre veicoli spaziali di LISA saranno collegati da laser che percorreranno 2,5 milioni di chilometri formando un triangolo equilatero. La scala di LISA e il fatto che sia basato sullo spazio significa che può rilevare onde gravitazionali a bassa lunghezza d'onda lontano da fonti di rumore qui sulla Terra.

"LISA sarà sintonizzata per trovare onde gravitazionali come quelle che deriverebbero da una fusione di buchi neri supermassicci, " disse Eracleo.

Per Eracleo, Il Dipartimento di Astronomia e Astrofisica della Penn State ha fornito l'ambiente di supporto necessario per la sua ricerca.