Scienziati del MIPT, l'Università di Oxford, e l'Accademia Russa delle Scienze hanno stimato il numero di stelle distrutte da buchi neri supermassicci solitari nei centri galattici che si sono formati tramite fusioni di galassie contenenti buchi neri supermassicci. Gli astrofisici hanno determinato se gli effetti gravitazionali derivanti da due buchi neri che si avvicinano l'uno all'altro possono spiegare perché si osservano meno stelle catturate dai buchi neri rispetto a quanto previsto dai modelli teorici di base.

Nel loro studio pubblicato in Il Giornale Astrofisico , i ricercatori hanno esaminato l'interazione dei meccanismi dinamici che influenzano il numero di stelle in una galassia catturate per unità di tempo (il tasso di interruzione delle maree). Un modello teorico avanzato ha prodotto risultati ancora più incoerenti con le osservazioni, portando il team a ipotizzare che la distruzione delle stelle nei nuclei galattici possa verificarsi a nostra insaputa.

Disturbo delle stelle

Eventi di interruzione delle maree, o TDE, sono l'unica fonte di informazioni disponibile dai nuclei galattici inattivi. C'è almeno un buco nero supermassiccio al centro della maggior parte delle galassie. Circondato da densi ammassi stellari centrali, i buchi neri occupano regioni note come nuclei galattici. Come suggerisce il nome, i buchi neri non emettono luce. Però, quando la materia cade sull'oggetto massiccio centrale, si riscalda a temperature estreme e può essere osservato con un telescopio. Le galassie attive hanno nubi di gas che alimentano i buchi neri, rendendole così visibili. Però, circa il 90% delle galassie rimane "silente, " perché non contengono nubi di gas e quindi non importa che il buco nero consumi se non le stelle che occasionalmente si allontanano troppo vicino. Quando ciò accade, la stella è strappata dalle forze di marea, sperimentando la cosiddetta "spaghettificazione, " e gli astronomi rilevano un evento di interruzione delle maree (TDE). Finora, sono stati osservati circa 50 brillamenti di radiazioni legati a TDE. Si calcola che il tasso medio di distruzione stellare ammonti a una stella ogni 10, da 000 a 100, 000 anni per galassia. Sulla base di questi dati, gli scienziati stanno cercando di sviluppare un modello affidabile di ciò che accade nei nuclei galattici inattivi.

Assumi una galassia sferica nel vuoto

Il modello teorico più semplice riguarda una galassia il cui nucleo è di forma sferica e ha al centro un buco nero supermassiccio. Il buco nero è orbitato da stelle che cambiano la direzione del loro moto mentre si passano l'una accanto all'altra, il modo in cui le palle da biliardo rimbalzano l'una sull'altra quando si scontrano sul tavolo. Però, considerando che una palla da biliardo deve muoversi dritta verso la buca per caderci dentro, una stella ha più opzioni:è sufficiente che il suo vettore velocità si trovi nel cosiddetto cono di perdita, per garantire che la stella alla fine venga catturata e distrutta dalla gravità del buco nero. Secondo questo modello molto semplice, una media di una stella per galassia dovrebbe essere catturata ogni 1, 000 a 10, 000 anni, cioè., più frequentemente di quanto osservato. Sebbene il modello possa essere migliorato tenendo conto di una serie di altri fattori (ad es. la differenza di massa delle stelle), ciò non farebbe altro che aumentare ulteriormente i tassi di interruzione delle maree previsti.

L'effetto fionda

Attualmente, c'è solo un meccanismo discusso nelle fonti pubblicate che potrebbe essere responsabile del fatto che vengono catturate meno stelle del previsto. Curiosamente, richiede che la maggior parte delle stelle a basso momento angolare svaniscano, per così dire. Ma esaminiamo prima un caso analogo che riguarda la diffusione di gas. Supponiamo che ci siano molecole di gas in movimento casuale contenute all'interno di un recipiente le cui pareti possono assorbire le molecole. Ora immagina che le molecole più vicine alle pareti siano state rimosse. L'ovvia conseguenza di ciò sarebbe meno molecole assorbite per unità di tempo, poiché le molecole rimanenti devono ancora percorrere una certa distanza prima di poter entrare in contatto con un muro. Allo stesso modo, se le stelle vengono rimosse dal centro della galassia, il tasso di interruzione stellare diminuirà. Naturalmente, le stelle non possono semplicemente svanire nel nulla; ma se la galassia ospita un buco nero binario, quindi le singole stelle possono essere espulse dalla galassia per mezzo di una cosiddetta fionda gravitazionale, una manovra nota anche come assistenza gravitazionale quando sono coinvolti veicoli spaziali artificiali.

La legge di conservazione dell'energia implica che quando una stella è accelerata (cioè, riceve ulteriore energia cinetica), l'energia del buco nero binario deve essere ridotta. Di conseguenza, i due buchi neri si avvicinano l'uno all'altro e iniziano a fondersi. Infine, quando la fusione è quasi completa, parte dell'energia viene irradiata verso l'esterno sotto forma di onde gravitazionali, come dimostra questa recente clamorosa scoperta.

Una galassia non sferica nel vuoto

Sebbene una fusione di galassie possa essere accompagnata da una diminuzione del tasso di distruzione delle stelle, è stato osservato anche l'effetto opposto. Ha a che fare con il fatto che qualsiasi nucleo galattico che è il prodotto di una fusione ha una forma leggermente non sferica. In un nucleo non sferico, le stelle sono mescolate più accuratamente; quindi, ci sono più stelle le cui orbite si trovano vicino al buco nero. Ciò significa che sono disponibili più stelle da catturare e il tasso di TDE aumenta, nonostante l'effetto fionda. Per scoprire come l'interazione di questi due fattori opposti influisca sul tasso di distruzione stellare, Kirill Lezhnin ed Eugene Vasiliev, entrambi diplomati al MIPT, hanno eseguito i calcoli necessari e hanno studiato l'influenza che la massa del buco nero, geometria dell'ammasso stellare nucleare, e le condizioni iniziali hanno sui tassi di interruzione.

Ancora più distruzione

Si è scoperto che l'effetto della rimozione delle stelle dal centro della galassia per mezzo della fionda gravitazionale era trascurabile in tutti i casi tranne che per lo scenario della galassia sferica nel vuoto. Dovrebbe essere notato, però, che la forma di una galassia formata in una fusione non è mai una sfera perfetta. Per quanto riguarda i risultati dei calcoli, la linea di fondo è che una media di una stella per 10, 000 anni per galassia dovrebbero essere interrotti. E mentre questo numero è in buon accordo con le previsioni teoriche precedenti, si pone anche la domanda:perché si osservano meno TDE di quanto ci si aspetterebbe dai modelli teorici?

Kirill Lezhnin, uno degli autori dello studio, spiega il significato dei risultati della ricerca:"Abbiamo dimostrato che i bassi tassi di interruzione osservati non possono essere spiegati dall'effetto fionda. Pertanto, è necessario trovare un altro meccanismo che esula dal regno degli studi sulla dinamica stellare. In alternativa, le tariffe TDE a cui siamo arrivati ​​potrebbero infatti essere accurate. Dobbiamo quindi trovare una spiegazione sul motivo per cui non vengono osservati".