La galassia 3C186, situato a circa 8 miliardi di anni luce dalla Terra, è molto probabilmente il risultato di una fusione di due galassie. Questo è supportato da code di marea a forma di arco, solitamente prodotto da uno strattone gravitazionale tra due galassie in collisione, identificato dagli scienziati. La fusione delle galassie ha portato anche alla fusione dei due buchi neri supermassicci nei loro centri, e il buco nero risultante è stato quindi espulso dalla sua galassia madre dalle onde gravitazionali create dalla fusione. Credito:NASA, ESA, e M. Chiaberge (STScI/ESA)
Gli astronomi hanno scoperto un buco nero supermassiccio che è stato espulso dal centro di una lontana galassia da quello che potrebbe essere l'incredibile potere delle onde gravitazionali.
Sebbene ci siano stati molti altri sospettati, similmente avviati buchi neri altrove, nessuno è stato finora confermato. Gli astronomi pensano che questo oggetto, rilevata dal telescopio spaziale Hubble della NASA, è un caso molto forte. Pesa più di 1 miliardo di soli, il buco nero canaglia è il buco nero più massiccio mai rilevato che sia stato cacciato dalla sua sede centrale.
I ricercatori stimano che ci sia voluta l'energia equivalente di 100 milioni di supernove che esplodono simultaneamente per gettare a mare il buco nero. La spiegazione più plausibile per questa energia propulsiva è che l'oggetto mostruoso sia stato colpito da onde gravitazionali liberate dalla fusione di due grossi buchi neri al centro della galassia ospite.
Predetto per la prima volta da Albert Einstein, Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio che si creano quando due oggetti massicci si scontrano. Le increspature sono simili ai cerchi concentrici prodotti quando una grossa roccia viene lanciata in uno stagno. L'anno scorso, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha aiutato gli astronomi a dimostrare l'esistenza delle onde gravitazionali rilevandole provenienti dall'unione di due buchi neri di massa stellare, che sono molte volte più massicce del sole.
Le osservazioni di Hubble sul buco nero ribelle hanno sorpreso il team di ricerca. "Quando l'ho visto per la prima volta, Pensavo stessimo vedendo qualcosa di molto strano, " ha affermato il team leader Marco Chiaberge dello Space Telescope Science Institute (STScI) e della Johns Hopkins University, a Baltimora, Maryland. "Quando abbiamo combinato le osservazioni di Hubble, l'Osservatorio a raggi X Chandra, e lo Sloan Digital Sky Survey, tutto puntava allo stesso scenario. La quantità di dati che abbiamo raccolto, dai raggi X all'ultravioletto alla luce del vicino infrarosso, è decisamente più grande di qualsiasi altro candidato buchi neri canaglia".
L'articolo di Chiaberge apparirà nel numero del 30 marzo di Astronomia e astrofisica .
Le immagini di Hubble scattate alla luce visibile e nel vicino infrarosso hanno fornito il primo indizio che la galassia fosse insolita. Le immagini hanno rivelato un quasar luminoso, la firma energetica di un buco nero, che risiede lontano dal nucleo galattico. I buchi neri non possono essere osservati direttamente, ma sono la fonte di energia nel cuore dei quasar - intensi, zampilli compatti di radiazioni che possono eclissare un'intera galassia. Il quasar, denominato 3C 186, e la sua galassia ospite risiede a 8 miliardi di anni luce di distanza in un ammasso di galassie. Il team ha scoperto le caratteristiche peculiari della galassia mentre conduceva un'indagine Hubble di galassie lontane che rilasciavano potenti esplosioni di radiazioni in preda a fusioni di galassie.
"Mi aspettavo di vedere molte galassie fondersi, e mi aspettavo di vedere galassie ospiti disordinate intorno ai quasar, ma non mi aspettavo davvero di vedere un quasar che fosse chiaramente sfalsato dal nucleo di una galassia di forma regolare, "Ricordò Chiaberge. "I buchi neri risiedono al centro delle galassie, quindi è insolito vedere un quasar non al centro."
Questa illustrazione mostra come le onde gravitazionali possono spingere un buco nero dal centro di una galassia. Lo scenario inizia nel primo pannello con la fusione di due galassie, ciascuno con un buco nero centrale. Nel secondo pannello, i due buchi neri nella galassia appena fusa si sistemano al centro e iniziano a ruotare l'uno intorno all'altro. Questa azione energetica produce onde gravitazionali. Mentre i due oggetti pesanti continuano a irradiare energia gravitazionale, si avvicinano l'uno all'altro nel tempo, come si vede nel terzo pannello. Se i buchi neri non hanno la stessa massa e velocità di rotazione, emettono onde gravitazionali più forti in una direzione, come mostrato dall'area luminosa in alto a sinistra. I buchi neri infine si fondono nel quarto pannello, formando un gigantesco buco nero. L'energia emessa dalla fusione spinge il buco nero lontano dal centro nella direzione opposta alle onde gravitazionali più forti. Credito:NASA, ESA, e A. Feild (STScI)
Il team ha calcolato la distanza del buco nero dal nucleo confrontando la distribuzione della luce stellare nella galassia ospite con quella di una normale galassia ellittica da un modello computerizzato. Il buco nero aveva viaggiato più di 35, 000 anni luce dal centro, che è maggiore della distanza tra il sole e il centro della Via Lattea.
Sulla base delle osservazioni spettroscopiche prese da Hubble e dall'indagine Sloan, i ricercatori hanno stimato la massa del buco nero e misurato la velocità del gas intrappolato vicino all'oggetto colosso. La spettroscopia divide la luce nei suoi colori componenti, che può essere utilizzato per misurare le velocità nello spazio. "Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che il gas intorno al buco nero stava volando via dal centro della galassia a 4,7 milioni di miglia orarie, " ha detto il membro del team Justin Ely di STScI. Questa misurazione è anche un indicatore della velocità del buco nero, perché il gas è gravitazionalmente bloccato sull'oggetto mostro.
Gli astronomi hanno calcolato che il buco nero si sta muovendo così velocemente da viaggiare dalla Terra alla Luna in tre minuti. È abbastanza veloce da permettere al buco nero di fuggire dalla galassia in 20 milioni di anni e di vagare per l'universo per sempre.
L'immagine di Hubble ha rivelato un indizio interessante che ha aiutato a spiegare la posizione ribelle del buco nero. La galassia ospite ha deboli caratteristiche a forma di arco chiamate code di marea, prodotto da uno strattone gravitazionale tra due galassie in collisione. Questa evidenza suggerisce una possibile unione tra il sistema 3C 186 e un'altra galassia, ciascuno con centrale, enormi buchi neri che alla fine potrebbero essersi uniti.
Sulla base di questa evidenza visibile, insieme al lavoro teorico, i ricercatori hanno sviluppato uno scenario per descrivere come il gigantesco buco nero potrebbe essere espulso dalla sua sede centrale. Secondo la loro teoria, due galassie si fondono, ei loro buchi neri si depositano nel centro della galassia ellittica appena formata. Mentre i buchi neri girano l'uno intorno all'altro, le onde gravitazionali vengono scagliate fuori come l'acqua da un irrigatore del prato. Gli oggetti pesanti si avvicinano l'uno all'altro nel tempo mentre irradiano energia gravitazionale. Se i due buchi neri non hanno la stessa massa e velocità di rotazione, emettono onde gravitazionali più fortemente lungo una direzione. Quando i due buchi neri si scontrano, smettono di produrre onde gravitazionali. Il buco nero appena fuso si ritrae quindi nella direzione opposta alle onde gravitazionali più forti e si lancia come un razzo.
I ricercatori sono fortunati ad aver catturato questo evento unico perché non tutte le fusioni di buchi neri producono onde gravitazionali squilibrate che spingono un buco nero nella direzione opposta. "Questa asimmetria dipende da proprietà come la massa e l'orientamento relativo degli assi di rotazione dei fori posteriori prima della fusione, " ha detto il membro del team Colin Norman di STScI e Johns Hopkins University. "Ecco perché questi oggetti sono così rari".
Una spiegazione alternativa per il quasar offset, anche se improbabile, propone che l'oggetto luminoso non risieda all'interno della galassia. Anziché, il quasar si trova dietro la galassia, ma l'immagine di Hubble dà l'illusione che sia alla stessa distanza della galassia. Se questo fosse il caso, i ricercatori avrebbero dovuto rilevare una galassia sullo sfondo che ospitava il quasar.
Se l'interpretazione dei ricercatori è corretta, le osservazioni possono fornire una forte evidenza che i buchi neri supermassicci possono effettivamente fondersi. Gli astronomi hanno prove di collisioni di buchi neri per buchi neri di massa stellare, ma il processo che regola i buchi neri supermassicci è più complesso e non completamente compreso.
Il team spera di utilizzare nuovamente Hubble, in combinazione con l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) e altre strutture, per misurare più accuratamente la velocità del buco nero e del suo disco di gas, che può fornire maggiori informazioni sulla natura di questo bizzarro oggetto.
