L'11 marzo uno strumento a bordo della Stazione Spaziale Internazionale ha rilevato un'enorme esplosione di raggi X che è diventata sei volte più luminosa della Nebulosa del Granchio, quasi 10, 000 anni luce di distanza dalla Terra. Gli scienziati hanno determinato che la fonte era un buco nero catturato nel mezzo di un'esplosione, una fase estrema in cui un buco nero può emettere esplosioni brillanti di energia a raggi X mentre divora una valanga di gas e polvere da una stella vicina.

Ora gli astronomi del MIT e altrove hanno rilevato "echi" all'interno di questa raffica di emissioni di raggi X, che credono possa essere un indizio su come si evolvono i buchi neri durante un'esplosione. In uno studio pubblicato oggi sulla rivista Natura , il team riporta prove che poiché il buco nero consuma enormi quantità di materiale stellare, la sua corona, l'alone di elettroni altamente energizzati che circonda un buco nero, si restringe in modo significativo, da una distesa iniziale di circa 100 chilometri (circa la larghezza del Massachusetts) a soli 10 chilometri, tra poco più di un mese.

I risultati sono la prima prova che la corona si restringe mentre un buco nero si nutre, o accresce. I risultati suggeriscono anche che è la corona a guidare l'evoluzione di un buco nero durante la fase più estrema della sua esplosione.

"Questa è la prima volta che vediamo questo tipo di prove che è la corona che si restringe durante questa particolare fase di evoluzione dell'esplosione, "dice Jack Steiner, ricercatore presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. "La corona è ancora piuttosto misteriosa, e abbiamo ancora una vaga comprensione di cosa sia. Ma ora abbiamo le prove che la cosa che si sta evolvendo nel sistema è la struttura della corona stessa".

I coautori del MIT di Steiner includono Ronald Remillard e il primo autore Erin Kara.

Echi a raggi X

Il buco nero rilevato l'11 marzo è stato chiamato MAXI J1820+070, per lo strumento che lo ha rilevato. La missione Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) è un insieme di rivelatori di raggi X installati nel Japanese Experiment Module della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), che monitora l'intero cielo per scoppi e bagliori di raggi X.

Subito dopo che lo strumento ha rilevato l'esplosione del buco nero, Steiner e i suoi colleghi hanno iniziato a osservare l'evento con la stella di neutroni della NASA Interior Composition Explorer, o PI PIACEVOLE, un altro strumento a bordo della ISS, che è stato progettato in parte dal MIT, per misurare la quantità e la tempistica dei fotoni di raggi X in arrivo.

"Questo buco nero incredibilmente luminoso è apparso sulla scena, ed era quasi completamente non oscurato, così abbiamo avuto una visione molto nitida di quello che stava succedendo, " dice Steiner.

Una tipica esplosione può verificarsi quando un buco nero risucchia enormi quantità di materiale da una stella vicina. Questo materiale si accumula intorno al buco nero, in un vortice vorticoso noto come disco di accrescimento, che può estendersi per milioni di miglia. Il materiale nel disco più vicino al centro del buco nero ruota più velocemente, generando attrito che riscalda il disco.

"Il gas al centro ha una temperatura di milioni di gradi, " dice Steiner. "Quando riscaldi qualcosa di così caldo, brilla come raggi X. Questo disco può subire valanghe e riversare il suo gas sul buco nero centrale a circa una quantità di gas al secondo pari a quella del Monte Everest. Ed è allora che va in sfogo, che di solito dura circa un anno."

Gli scienziati hanno precedentemente osservato che i fotoni a raggi X emessi dal disco di accrescimento possono fare ping-pong sugli elettroni ad alta energia nella corona di un buco nero. Steiner dice che alcuni di questi fotoni possono diffondersi "all'infinito, " mentre altri si disperdono sul disco di accrescimento sotto forma di raggi X ad energia più elevata.

Usando NICER, il team è stato in grado di raccogliere misurazioni estremamente precise sia dell'energia che dei tempi dei fotoni di raggi X durante l'esplosione del buco nero. In modo cruciale, hanno raccolto "echi, " o ritardi tra i fotoni a bassa energia (quelli che potrebbero essere stati inizialmente emessi dal disco di accrescimento) e i fotoni ad alta energia (i raggi X che probabilmente avevano interagito con gli elettroni della corona). Nel corso di un mese, i ricercatori hanno osservato che la durata di questi ritardi è diminuita significativamente, indicando che anche la distanza tra la corona e il disco di accrescimento si stava riducendo. Ma era il disco o la corona che si stava spostando?

Per rispondere a questo, i ricercatori hanno misurato una firma che gli astronomi conoscono come la "linea di ferro", una caratteristica che viene emessa dagli atomi di ferro in un disco di accrescimento solo quando sono energizzati, come il riflesso dei fotoni dei raggi X sugli elettroni di una corona. Ferro da stiro, perciò, può misurare il confine interno di un disco di accrescimento.

Quando i ricercatori hanno misurato la linea del ferro durante l'esplosione, non hanno trovato alcun cambiamento misurabile, suggerendo che il disco stesso non stava cambiando forma, ma rimanendo relativamente stabile. Insieme all'evidenza di una diminuzione del ritardo dei raggi X, conclusero che doveva essere la corona che stava cambiando, e restringendosi a causa dell'esplosione del buco nero.

"Vediamo che la corona inizia come questa gonfia, blob di 100 chilometri all'interno del disco di accrescimento interno, poi si riduce a qualcosa come 10 chilometri, oltre un mese, " Dice Steiner. "Questo è il primo caso inequivocabile di una corona che si restringe mentre il disco è stabile".

"PIACEVOLE ci ha permesso di misurare gli echi di luce più vicini che mai a un buco nero di massa stellare, " aggiunge Kara. "In precedenza questi echi di luce dal disco di accrescimento interno erano stati visti solo nei buchi neri supermassicci, che sono da milioni a miliardi di masse solari ed evolvono nel corso di milioni di anni. I buchi neri stellari come J1820 hanno masse molto più basse e si evolvono molto più velocemente, così possiamo vedere i cambiamenti che si verificano sulle scale temporali umane".

Sebbene non sia chiaro cosa stia esattamente causando la contrazione della corona, Steiner ipotizza che la nube di elettroni ad alta energia venga schiacciata dalla schiacciante pressione generata dalla valanga di gas in caduta del disco di accrescimento.

I risultati offrono nuove intuizioni su una fase importante dell'esplosione di un buco nero, noto come transizione da uno stato duro a uno morbido. Gli scienziati hanno saputo che a un certo punto all'inizio di uno sfogo, un buco nero passa da una fase "dura" che è dominata dall'energia della corona, ad una fase "morbida" che è governata maggiormente dalle emissioni del disco di accrescimento.

"Questa transizione segna un cambiamento fondamentale nella modalità di accrescimento di un buco nero, " dice Steiner. "Ma non sappiamo esattamente cosa sta succedendo. In che modo un buco nero passa dall'essere dominato da una corona al suo disco? Il disco si sposta e prende il sopravvento, o la corona cambia e si dissipa in qualche modo? Questo è qualcosa che le persone hanno cercato di svelare per decenni e ora questo è un lavoro definitivo riguardo a ciò che sta accadendo in questa fase di transizione, e che quello che sta cambiando è la corona".