Il 22 novembre, 2014, gli astronomi hanno individuato un evento raro nel cielo notturno:un buco nero supermassiccio al centro di una galassia, quasi 300 milioni di anni luce dalla Terra, che fa a pezzi una stella passeggera. L'evento, noto come un bagliore di interruzione di marea, per l'enorme forza di marea del buco nero che fa a pezzi una stella, ha creato un'esplosione di raggi X vicino al centro della galassia. Da allora, una miriade di osservatori ha puntato gli occhi sull'evento, nella speranza di saperne di più su come si alimentano i buchi neri.

Ora i ricercatori del MIT e altrove hanno analizzato i dati provenienti dalle osservazioni dell'evento da parte di più telescopi, e scoprì un curiosamente intenso, stabile, e pulsazioni periodiche, o segnale, di raggi X, su tutti i set di dati. Il segnale sembra provenire da un'area molto vicina all'orizzonte degli eventi del buco nero, il punto oltre il quale il materiale viene inevitabilmente inghiottito dal buco nero. Il segnale sembra illuminarsi e svanire periodicamente ogni 131 secondi, e persiste per almeno 450 giorni.

I ricercatori ritengono che qualunque cosa stia emettendo il segnale periodico deve essere in orbita attorno al buco nero, appena fuori dall'orizzonte degli eventi, vicino all'orbita circolare più interna stabile, o ISCO, l'orbita più piccola in cui una particella può viaggiare in sicurezza attorno a un buco nero.

Data la vicinanza stabile del segnale al buco nero, e la massa del buco nero, che i ricercatori in precedenza stimavano essere circa 1 milione di volte quella del sole, il team ha calcolato che il buco nero ruota a circa il 50% della velocità della luce.

Le scoperte, riportato oggi sul giornale Scienza , sono la prima dimostrazione di un brillamento di interruzione di marea utilizzato per stimare la rotazione di un buco nero.

Il primo autore dello studio, Dheeraj Pasham, un postdoc presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT, afferma che la maggior parte dei buchi neri supermassicci sono dormienti e di solito non emettono molto in termini di radiazioni a raggi X. Solo occasionalmente rilasciano un'esplosione di attività, come quando le stelle si avvicinano abbastanza da essere divorate dai buchi neri. Ora dice che, visti i risultati della squadra, tali razzi di interruzione delle maree possono essere utilizzati per stimare la rotazione dei buchi neri supermassicci, una caratteristica che è stata, fino ad ora, incredibilmente difficile da definire.

"Eventi in cui i buchi neri distruggono le stelle che si avvicinano troppo a loro potrebbero aiutarci a mappare gli spin di diversi buchi neri supermassicci che sono dormienti e altrimenti nascosti al centro delle galassie, "Pasham dice. "Questo potrebbe in definitiva aiutarci a capire come le galassie si sono evolute nel tempo cosmico".

I coautori di Pasham includono Ronald Remillard, Jeroen Homan, Deepto Chakrabarty, Federico Baganoff, e James Steiner del MIT; Alessia Franchini all'Università del Nevada; Chris Fragile del Collegio di Charleston; Nicholas Stone della Columbia University; Eric Coughlin dell'Università della California a Berkeley; e Nishanth Pasham, di Sunnyvale, California.

Un vero segnale

I modelli teorici dei brillamenti causati dalle maree mostrano che quando un buco nero fa a pezzi una stella, parte del materiale di quella stella potrebbe rimanere al di fuori dell'orizzonte degli eventi, girando, almeno temporaneamente, in un'orbita stabile come l'ISCO, ed emettendo periodici lampi di raggi X prima di essere infine alimentati dal buco nero. La periodicità dei lampi di raggi X codifica quindi informazioni chiave sulla dimensione dell'ISCO, che a sua volta è dettato dalla velocità di rotazione del buco nero.

Pasham e i suoi colleghi pensavano che se avessero potuto vedere lampi così regolari molto vicino a un buco nero che aveva subito un recente evento di interruzione delle maree, questi segnali potrebbero dare loro un'idea di quanto velocemente girasse il buco nero.

Hanno concentrato la loro ricerca su ASASSN-14li, l'evento di perturbazione della marea che gli astronomi hanno identificato nel novembre 2014, utilizzando l'All-Sky Automated Survey for SuperNovae (ASASSN).

"Questo sistema è entusiasmante perché pensiamo che sia un poster per i razzi di disturbo delle maree, "Pasham dice. "Questo particolare evento sembra corrispondere a molte delle previsioni teoriche".

Il team ha esaminato i set di dati archiviati da tre osservatori che hanno raccolto misurazioni a raggi X dell'evento dalla sua scoperta:l'osservatorio spaziale XMM-Newton dell'Agenzia spaziale europea, e gli osservatori spaziali Chandra e Swift della NASA. Pasham aveva precedentemente sviluppato un codice informatico per rilevare schemi periodici nei dati astrofisici, anche se non specificamente per eventi di interruzione delle maree. Ha deciso di applicare il suo codice ai tre set di dati per ASASSN-14li, per vedere se eventuali schemi periodici comuni sarebbero affiorati in superficie.

Quello che ha osservato è stato sorprendentemente forte, stabile, e esplosione periodica di raggi X che sembrava provenire da molto vicino al bordo del buco nero. Il segnale pulsava ogni 131 secondi, oltre 450 giorni, ed era estremamente intenso, circa il 40% al di sopra della luminosità media dei raggi X del buco nero.

"All'inizio non ci credevo perché il segnale era così forte, "Pasham dice. "Ma l'abbiamo visto in tutti e tre i telescopi. Quindi alla fine, il segnale era reale."

In base alle proprietà del segnale, e la massa e le dimensioni del buco nero, il team ha stimato che il buco nero sta ruotando almeno al 50 percento della velocità della luce.

"Non è super veloce:ci sono altri buchi neri con spin che si stima siano vicini al 99 percento della velocità della luce, "Pasham dice. "Ma questa è la prima volta che siamo in grado di usare i brillamenti di disturbo delle maree per limitare gli spin dei buchi neri supermassicci".

Illuminare l'invisibile

Una volta che Pasham scoprì il segnale periodico, spettava ai teorici del team trovare una spiegazione per ciò che potrebbe averlo generato. Il team ha escogitato vari scenari, ma quello che sembra il più probabile per generare un così forte, un normale bagliore di raggi X coinvolge non solo un buco nero che fa a pezzi una stella che passa, ma anche un tipo più piccolo di stella, conosciuta come nana bianca, orbitante vicino al buco nero.

Una simile nana bianca potrebbe aver orbitato intorno al buco nero supermassiccio, a ISCO, l'orbita circolare stabile più interna, per qualche tempo. Solo, non sarebbe stato sufficiente emettere alcun tipo di radiazione rilevabile. A tutti gli effetti, la nana bianca sarebbe stata invisibile ai telescopi mentre circondava il relativamente inattivo, buco nero rotante.

Verso il 22 novembre, 2014, una seconda stella è passata abbastanza vicino al sistema che il buco nero l'ha fatta a pezzi in un bagliore di disturbo mareale che ha emesso un'enorme quantità di radiazioni a raggi X, sotto forma di caldo, materiale stellare triturato. Mentre il buco nero tirava questo materiale verso l'interno, alcuni dei detriti stellari sono caduti nel buco nero, mentre alcuni restavano appena fuori, nell'orbita stabile più interna, la stessa orbita in cui girava la nana bianca. Quando la nana bianca è entrata in contatto con questo materiale stellare caldo, probabilmente lo trascinava come una specie di soprabito luminoso, illuminando la nana bianca con un'intensa quantità di raggi X ogni volta che circondava il buco nero, ogni 131 secondi.

Gli scienziati ammettono che uno scenario del genere sarebbe incredibilmente raro e durerebbe solo per diverse centinaia di anni al massimo, un battito di ciglia su scale cosmiche. Le possibilità di rilevare uno scenario del genere sarebbero estremamente ridotte.

"Il problema con questo scenario è che, se hai un buco nero con una massa che è 1 milione di volte quella del sole, e una nana bianca gli gira intorno, poi ad un certo punto nel giro di poche centinaia di anni, la nana bianca si tufferà nel buco nero, "Pasham dice. "Saremmo stati estremamente fortunati a trovare un tale sistema. Ma almeno in termini di proprietà del sistema, questo scenario sembra funzionare."

Il significato generale dei risultati è che mostrano che è possibile limitare la rotazione di un buco nero, da eventi di marea, secondo Pasham. Andando avanti, spera di identificare modelli stabili simili in altri eventi di distruzione delle stelle, dai buchi neri che risiedono più indietro nello spazio e nel tempo.

"Nel prossimo decennio, speriamo di rilevare più di questi eventi, "Pasham dice. "Stimare gli spin di diversi buchi neri dall'inizio del tempo ad oggi sarebbe prezioso in termini di stima se esiste una relazione tra lo spin e l'età dei buchi neri".