Queste immagini rivelano lo stadio finale di un'unione tra due nuclei galattici nel nucleo disordinato della galassia in fusione NGC 6240. L'immagine a sinistra mostra l'intera galassia. A destra c'è un primo piano dei due brillanti nuclei di questa unione galattica. Questa vista, preso in luce infrarossa, perfora la densa nube di polvere e gas che racchiude le due galassie in collisione e scopre i nuclei attivi. I grossi buchi neri in questi nuclei stanno crescendo rapidamente mentre si nutrono di gas sollevato dalla fusione della galassia. Credito:NASA, ESA, Osservatorio W.M. Keck, Pan-STARRS e M. Koss (Eureka Scientific, Inc.)
Per la prima volta, un team di astronomi ha osservato diverse coppie di galassie nelle fasi finali della fusione in singole, galassie più grandi. Sbirciando attraverso le spesse pareti di gas e polvere che circondano i nuclei disordinati delle galassie che si fondono, il team di ricerca ha catturato coppie di buchi neri supermassicci, ognuno dei quali un tempo occupava il centro di una delle due galassie più piccole originali, avvicinandosi prima di fondersi in un buco nero gigante.
Guidato dall'alunno dell'Università del Maryland Michael Koss (M.S. '07, dottorato di ricerca '11, astronomia), un ricercatore presso Eureka Scientific, Inc., con contributi di astronomi UMD, il team ha esaminato centinaia di galassie vicine utilizzando le immagini del W.M. Keck Observatory alle Hawaii e il telescopio spaziale Hubble della NASA. Le osservazioni di Hubble rappresentano più di 20 anni di immagini dal lungo archivio del telescopio. Il team ha descritto i risultati in un documento di ricerca pubblicato l'8 novembre, 2018, nel diario Natura .
"Vedere le coppie di nuclei di galassie che si fondono associati a questi enormi buchi neri così vicini è stato piuttosto sorprendente, " disse Koss. "Nel nostro studio, vediamo due nuclei di galassie proprio quando sono state scattate le immagini. Non puoi discuterne; è un risultato molto "pulito", che non si basa sull'interpretazione."
Le immagini ad alta risoluzione forniscono anche un'anteprima ravvicinata di un fenomeno che gli astronomi sospettano fosse più comune nell'universo primordiale, quando le fusioni di galassie erano più frequenti. Quando i buchi neri finalmente si scontrano, scateneranno una potente energia sotto forma di onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo recentemente rilevate per la prima volta dai rivelatori gemelli dell'Osservatorio delle onde gravitazionali dell'interferometro laser (LIGO).
Le immagini fanno presagire anche ciò che probabilmente accadrà tra qualche miliardo di anni, quando la nostra galassia della Via Lattea si fonde con la vicina galassia di Andromeda. Entrambe le galassie ospitano buchi neri supermassicci al loro centro, che alla fine si schianteranno e si fonderanno in un buco nero più grande.
Il team è stato ispirato da un'immagine Hubble di due galassie interagenti chiamate collettivamente NGC 6240, che in seguito è servito come prototipo per lo studio. Il team ha prima cercato oggetti visivamente oscurati, buchi neri attivi setacciando 10 anni di dati a raggi X dal Burst Alert Telescope (BAT) a bordo dell'Osservatorio Neil Gehrels Swift della NASA.
Queste immagini rivelano lo stadio finale di un'unione tra coppie di nuclei galattici nei nuclei disordinati di galassie in collisione. L'immagine in alto a sinistra, ripresa dalla Wide Field Camera 3 di Hubble, mostra la galassia NGC 6240 in fusione. Un primo piano dei due nuclei brillanti di questa unione galattica è mostrato in alto a destra. Questa vista, preso in luce infrarossa, perfora la densa nube di polvere e gas che racchiude le due galassie in collisione e scopre i nuclei attivi. I grossi buchi neri in questi nuclei stanno crescendo rapidamente mentre si nutrono di gas sollevato dalla fusione della galassia. La rapida crescita dei buchi neri si verifica durante gli ultimi 10-20 milioni di anni dalla fusione. Immagini di altre quattro galassie in collisione, insieme a viste ravvicinate dei loro nuclei coalescenti nei nuclei luminosi, sono mostrate sotto le istantanee di NGC 6240. Le immagini dei nuclei luminosi sono state scattate alla luce del vicino infrarosso dall'Osservatorio W. M. Keck alle Hawaii, utilizzando l'ottica adattiva per affinare la vista. Le immagini di riferimento (a sinistra) delle galassie in fusione sono state scattate dal Panoramic Survey Telescope e dal Rapid Response System (Pan-STARRS). I due nuclei nelle foto dell'Osservatorio Hubble e Keck sono solo circa 3, 000 anni luce di distanza:un quasi abbraccio in termini cosmici. Se ci sono coppie di buchi neri, probabilmente si fonderanno entro i prossimi 10 milioni di anni per formare un buco nero più massiccio. Queste osservazioni fanno parte della più grande indagine mai realizzata sui nuclei delle galassie vicine utilizzando immagini ad alta risoluzione nel vicino infrarosso scattate dagli osservatori Hubble e Keck. La distanza media delle galassie rilevate è di 330 milioni di anni luce dalla Terra. Credito:NASA, ESA, e M. Koss (Eureka Scientific, Inc.); Immagini di Keck:Osservatorio W. M. Keck e M. Koss (Eureka Scientific, Inc.); Immagini Pan-STARRS:Panoramic Survey Telescope e Rapid Response System e M. Koss (Eureka Scientific, Inc.)
"Il vantaggio nell'usare il BAT di Swift è che osserva l'alta energia, raggi X "duri", ", ha affermato il coautore dello studio Richard Mushotzky, un professore di astronomia all'UMD e un membro del Joint Space-Science Institute (JSI). "Questi raggi X penetrano attraverso le spesse nubi di polvere e gas che circondano le galassie attive, permettendo al BAT di vedere cose che sono letteralmente invisibili in altre lunghezze d'onda."
I ricercatori hanno poi setacciato l'archivio Hubble, concentrandosi sulle galassie in fusione che hanno individuato nei dati a raggi X. Hanno quindi usato il telescopio Keck super nitido, visione nel vicino infrarosso per osservare un campione più ampio dei buchi neri che producono raggi X non trovati nell'archivio Hubble.
Il team ha preso di mira le galassie situate in media a 330 milioni di anni luce dalla Terra, relativamente vicine in termini cosmici. Molte delle galassie sono di dimensioni simili alla Via Lattea e alle galassie di Andromeda. In totale, il team ha analizzato 96 galassie osservate con il telescopio Keck e 385 galassie dall'archivio Hubble.
I loro risultati suggeriscono che oltre il 17% di queste galassie ospita una coppia di buchi neri al centro, che sono bloccati nelle ultime fasi della spirale sempre più vicini prima di fondersi in un unico, buco nero ultra-massiccio. I ricercatori sono rimasti sorpresi di trovare una percentuale così elevata di fusioni in fase avanzata, perché la maggior parte delle simulazioni suggerisce che le coppie di buchi neri trascorrono pochissimo tempo in questa fase.
Per verificare i loro risultati, i ricercatori hanno confrontato le galassie di indagine con un gruppo di controllo di 176 altre galassie dell'archivio Hubble prive di buchi neri in crescita attiva. In questo gruppo, si sospettava che solo l'1% circa delle galassie esaminate ospitasse coppie di buchi neri nelle fasi successive della fusione.
Quest'ultimo passo ha aiutato i ricercatori a confermare che i nuclei galattici luminosi trovati nel loro censimento di galassie interagenti polverose sono davvero una firma di coppie di buchi neri in rapida crescita diretti a una collisione. Secondo i ricercatori, questo risultato è coerente con le previsioni teoriche, ma fino ad ora, non era stato verificato da osservazioni dirette.
"Le persone avevano condotto studi per cercare questi buchi neri che interagiscono strettamente prima, ma ciò che realmente ha permesso questo particolare studio sono stati i raggi X che possono sfondare il bozzolo di polvere, " ha spiegato Koss. "Abbiamo anche guardato un po' più lontano nell'universo in modo da poter osservare un volume di spazio più grande, dandoci una maggiore possibilità di trovare più luminosi, buchi neri in rapida crescita”.
Non è facile trovare nuclei galattici così vicini tra loro. La maggior parte delle precedenti osservazioni di galassie che si fondono hanno catturato i buchi neri in fase iniziale, quando erano circa 10 volte più lontani. La fase avanzata del processo di fusione è così sfuggente perché le galassie interagenti sono racchiuse in densi polvere e gas, richiedendo osservazioni ad altissima risoluzione in grado di vedere attraverso le nuvole e individuare i due nuclei che si fondono.
"Le simulazioni al computer di distruzione di galassie ci mostrano che i buchi neri crescono più velocemente durante le fasi finali delle fusioni, vicino al momento in cui i buchi neri interagiscono, ed è quello che abbiamo trovato nel nostro sondaggio, " ha detto Laura Blecha, un assistente professore di fisica presso l'Università della Florida e coautore dello studio. Blecha era un Postdoctoral Fellow del Premio JSI presso il Dipartimento di Astronomia dell'UMD prima di entrare a far parte della facoltà di UF nel 2017. "Il fatto che i buchi neri crescano sempre più velocemente man mano che le fusioni progrediscono ci dice che gli incontri con le galassie sono davvero importanti per la nostra comprensione di come questi oggetti siano arrivati essere così mostruosamente grande."
Futuri telescopi a infrarossi come l'attesissimo James Webb Space Telescope (JWST) della NASA, previsto per il lancio nel 2021, fornirà una visione ancora migliore delle fusioni in polverose, galassie fortemente oscurate. Per le coppie di buchi neri vicini, JWST dovrebbe anche essere in grado di misurare le masse, tassi di crescita e altri parametri fisici per ciascun buco nero.
"Potrebbero esserci altri oggetti che ci sono sfuggiti. Anche con Hubble, molte galassie vicine a basso redshift non possono essere risolte:i due nuclei si fondono semplicemente in uno, ", ha affermato il coautore dello studio Sylvain Veilleux, un professore di astronomia presso l'UMD e un borsista JSI. "Con la maggiore risoluzione angolare e la sensibilità all'infrarosso di JWST, che possono passare attraverso i nuclei polverosi di queste galassie, le ricerche di questi oggetti vicini dovrebbero essere facili da fare. Anche con JWST, potremo spingerci verso distanze maggiori, per vedere oggetti con redshift più alto. Con queste osservazioni, possiamo iniziare ad esplorare la frazione di oggetti che si stanno fondendo nei più giovani, regioni più lontane dell'universo, che dovrebbe essere abbastanza frequente."
