Questa illustrazione mostra un flusso luminoso di materiale proveniente da una stella, fatto a pezzi mentre veniva divorato da un buco nero supermassiccio. Il buco nero che si nutre è circondato da un anello di polvere, non diversamente dal piatto di un bambino è circondato da briciole dopo un pasto. Credito:NASA/JPL-Caltech
Anche se i buchi neri e i bambini non sembrano avere molto in comune, sono notevolmente simili in un aspetto:entrambi sono mangiatori disordinati, generando ampie prove che un pasto ha avuto luogo.
Ma mentre si potrebbero lasciare escrementi di pasta o schizzi di yogurt, l'altro crea un seguito di proporzioni da capogiro. Quando un buco nero divora una stella, produce quello che gli astronomi chiamano un "evento di interruzione delle maree". La distruzione della sfortunata stella è accompagnata da un'esplosione di radiazioni che possono eclissare la luce combinata di ogni stella nella galassia ospite del buco nero per mesi, anche anni.
In un articolo pubblicato su Il Giornale Astrofisico , un team di astronomi guidati da Sixiang Wen, un ricercatore associato post-dottorato presso l'Osservatorio Steward dell'Università dell'Arizona, utilizzare i raggi X emessi da un evento di interruzione della marea noto come J2150 per effettuare le prime misurazioni sia della massa che dello spin del buco nero. Questo buco nero è di un tipo particolare, un buco nero di massa intermedia, che è sfuggito a lungo all'osservazione.
"Il fatto che siamo stati in grado di catturare questo buco nero mentre stava divorando una stella offre una straordinaria opportunità di osservare ciò che altrimenti sarebbe invisibile, " ha detto Ann Zabludoff, Professore di astronomia dell'Arizona e coautore del documento. "Non solo quello, analizzando il flare siamo riusciti a comprendere meglio questa sfuggente categoria di buchi neri, che potrebbe rappresentare la maggior parte dei buchi neri nei centri delle galassie".
Rianalizzando i dati a raggi X utilizzati per osservare il flare J2150, e confrontandolo con sofisticati modelli teorici, gli autori hanno mostrato che questo bagliore ha effettivamente avuto origine da un incontro tra una sfortunata stella e un buco nero di massa intermedia. Il buco nero intermedio in questione è di massa particolarmente bassa:per un buco nero, cioè - con un peso di circa 10, 000 volte la massa del sole.
"Le emissioni di raggi X dal disco interno formato dai detriti della stella morta ci hanno permesso di dedurre la massa e lo spin di questo buco nero e di classificarlo come un buco nero intermedio, " ha detto Wen.
Decine di eventi di interruzione delle maree sono stati osservati nei centri di grandi galassie che ospitano buchi neri supermassicci, e una manciata è stata osservata anche nei centri di piccole galassie che potrebbero contenere buchi neri intermedi. Però, i dati passati non sono mai stati sufficientemente dettagliati per dimostrare che un singolo flare di interruzione di marea fosse alimentato da un buco nero intermedio.
"Grazie alle moderne osservazioni astronomiche, sappiamo che i centri di quasi tutte le galassie di dimensioni simili o maggiori della nostra Via Lattea ospitano buchi neri supermassicci centrali, ", ha affermato il coautore dello studio Nicholas Stone, un docente senior presso l'Università Ebraica di Gerusalemme. "Questi colossi variano in dimensioni da 1 milione a 10 miliardi di volte la massa del nostro sole, e diventano potenti fonti di radiazioni elettromagnetiche quando troppo gas interstellare cade nelle loro vicinanze."
La massa di questi buchi neri è strettamente correlata alla massa totale delle loro galassie ospiti; le galassie più grandi ospitano i più grandi buchi neri supermassicci.
"Sappiamo ancora molto poco dell'esistenza di buchi neri nei centri di galassie più piccole della Via Lattea, " ha affermato il coautore Peter Jonker della Radboud University e dello SRON Netherlands Institute for Space Research, entrambi in Olanda. "A causa dei limiti osservativi, è difficile scoprire buchi neri centrali molto più piccoli di 1 milione di masse solari".
Quando una stella si avventura troppo vicino a un buco nero, le forze gravitazionali creano maree intense che rompono la stella in un flusso di gas, provocando un fenomeno catastrofico noto come evento di interruzione delle maree. Vengono rilasciate enormi quantità di energia, causando in alcuni casi un'interruzione di marea per eclissare la sua galassia. Credito:Goddard Space Flight Center della NASA/Chris Smith (USRA/GESTAR)
Nonostante la loro presunta abbondanza, le origini dei buchi neri supermassicci rimangono sconosciute, e molte teorie diverse attualmente fanno a gara per spiegarli, secondo Jonker. I buchi neri di massa intermedia potrebbero essere i semi da cui crescono i buchi neri supermassicci.
"Perciò, se riusciamo a capire meglio quanti buchi neri intermedi in buona fede ci sono là fuori, può aiutare a determinare quali teorie sulla formazione dei buchi neri supermassicci sono corrette, " Egli ha detto.
Ancora più emozionante, secondo Zabludoff, è la misura dello spin di J2150 che il gruppo è stato in grado di ottenere. La misurazione dello spin contiene indizi su come crescono i buchi neri, e forse alla fisica delle particelle.
Questo buco nero ha una rotazione veloce, ma non la rotazione più veloce possibile, Zabludoff ha spiegato, ponendo la domanda su come il buco nero finisca con una rotazione in questo intervallo.
"È possibile che il buco nero si sia formato in quel modo e non sia cambiato molto da allora, o che due buchi neri di massa intermedia si siano fusi di recente per formare questo, "Sappiamo che lo spin che abbiamo misurato esclude scenari in cui il buco nero cresce nel lungo periodo mangiando costantemente gas o da molti snack veloci di gas che arrivano da direzioni casuali".
Inoltre, la misurazione dello spin consente agli astrofisici di testare ipotesi sulla natura della materia oscura, che si pensa costituisca la maggior parte della materia nell'universo. La materia oscura può essere costituita da particelle elementari sconosciute non ancora viste negli esperimenti di laboratorio. Tra i candidati ci sono particelle ipotetiche note come bosoni ultraleggeri, Stone ha spiegato.
"Se quelle particelle esistono e hanno masse in un certo intervallo, impediranno a un buco nero di massa intermedia di avere una rotazione veloce, " ha detto. "Eppure il buco nero di J2150 sta girando velocemente. Così, la nostra misurazione dello spin esclude un'ampia classe di teorie del bosone ultraleggero, mostrando il valore dei buchi neri come laboratori extraterrestri per la fisica delle particelle".
Nel futuro, nuove osservazioni di brillamenti di marea potrebbero consentire agli astronomi di colmare le lacune nella distribuzione della massa del buco nero, sperano gli autori.
"Se si scopre che la maggior parte delle galassie nane contiene buchi neri di massa intermedia, allora domineranno il tasso di interruzione delle maree stellari, " ha detto Stone. "Adattando l'emissione di raggi X da questi brillamenti a modelli teorici, possiamo condurre un censimento della popolazione di buchi neri di massa intermedia nell'universo, " ha aggiunto Wen.
Fare quello, però, devono essere osservati più eventi di interruzione della marea. Ecco perché gli astronomi nutrono grandi speranze per i nuovi telescopi che saranno presto online, sia sulla Terra che nello spazio, tra cui l'Osservatorio Vera C. Rubin, noto anche come Legacy Survey of Space and Time, o LSST, che dovrebbe scoprire migliaia di eventi di interruzione delle maree all'anno.
