Cosa succede quando due buchi neri supermassicci si scontrano? Combinando il potere di osservazione di due future missioni dell'ESA, Atena e Lisa, ci permetterebbe di studiare per la prima volta questi scontri cosmici e le loro misteriose conseguenze.

Buchi neri supermassicci, con masse che vanno da milioni a miliardi di Soli, sedersi al centro della maggior parte delle galassie massicce in tutto l'Universo. Non sappiamo esattamente come questi enormi, presero forma oggetti enormemente densi, né ciò che fa scattare una frazione di loro per iniziare a divorare la materia circostante a ritmi estremamente intensi, irradiandosi copiosamente attraverso lo spettro elettromagnetico e trasformando le loro galassie ospiti in "nuclei galattici attivi".

Affrontare queste domande aperte nell'astrofisica moderna è tra gli obiettivi principali di due future missioni del programma di scienze spaziali dell'ESA:Athena, il telescopio avanzato per l'astrofisica delle alte energie, e LISA, l'antenna spaziale dell'interferometro laser. Attualmente in fase di studio, entrambe le missioni sono previste per il lancio nei primi anni 2030.

"Athena e LISA sono entrambe missioni eccezionali destinate a fare scoperte in molte aree dell'astrofisica, "dice Gunther Hasinger, Direttore scientifico dell'ESA.

"Ma c'è un esperimento estremamente eccitante che potremmo eseguire solo se entrambe le missioni sono operative contemporaneamente per almeno alcuni anni:portare il suono ai "film cosmici" osservando la fusione di buchi neri supermassicci sia nei raggi X. e onde gravitazionali.

"Con questa opportunità unica di eseguire osservazioni senza precedenti di uno dei fenomeni più affascinanti del cosmo, la sinergia tra Athena e LISA aumenterebbe notevolmente il ritorno scientifico di entrambe le missioni, garantire la leadership europea in chiave, nuovo campo di ricerca”.

Athena sarà il più grande osservatorio a raggi X mai costruito, indagando alcuni dei fenomeni più caldi ed energetici del cosmo con una precisione e una profondità senza precedenti.

È progettato per rispondere a due domande fondamentali:come si formano ed evolvono i buchi neri supermassicci al centro delle galassie, e come si riunisce la materia "ordinaria", insieme all'invisibile materia oscura, per formare la sottile "rete cosmica" che pervade l'Universo.

"Athena misurerà diverse centinaia di migliaia di buchi neri, da relativamente vicino a lontano, osservando l'emissione di raggi X dalla materia calda di un milione di gradi nei loro dintorni, "dice Matteo Guainazzi, Scienziato di studio Athena all'ESA.

"Ci interessano in particolare i buchi neri più lontani, quelli che si sono formati nelle prime centinaia di milioni di anni della storia dell'Universo, e speriamo di poter finalmente capire come si sono formati".

Nel frattempo, LISA sarà il primo osservatorio spaziale delle onde gravitazionali, fluttuazioni nel tessuto dello spaziotempo prodotte dall'accelerazione di oggetti cosmici con campi gravitazionali molto forti, come coppie di buchi neri che si fondono.

Astronomia delle onde gravitazionali, inaugurato solo pochi anni fa, è attualmente limitato alle onde ad alta frequenza che possono essere sondate da esperimenti a terra come LIGO e Virgo. Questi esperimenti sono sensibili alle fusioni di buchi neri relativamente piccoli, da poche volte a poche decine di volte più massicci del Sole. LISA amplierà questi studi rilevando onde gravitazionali a bassa frequenza, come quelli rilasciati quando due buchi neri supermassicci si scontrano durante una fusione di galassie.

"LISA sarà la prima missione del suo genere, cercando principalmente onde gravitazionali provenienti da buchi neri supermassicci che si scontrano l'uno con l'altro, " spiega Paul McNamara, Scienziato di studio LISA all'ESA.

"Questo è uno dei fenomeni più energetici che conosciamo, rilasciando più energia di tutta l'Universo quiescente in qualsiasi momento. Se due buchi neri supermassicci si fondono in qualsiasi parte del cosmo, Lisa lo vedrà."

I primi pochi eventi di onde gravitazionali rilevati da LIGO e Virgo tra il 2015 e il 2017 sono tutti originati da coppie di buchi neri di massa stellare, che sono noti per non irradiare alcuna luce sulla coalescenza. Quindi, nell'agosto 2017, Sono state scoperte onde gravitazionali provenienti da una sorgente diversa, la fusione di due stelle di neutroni.

Questa volta, le onde gravitazionali erano accompagnate da radiazioni attraverso lo spettro elettromagnetico, facilmente osservabile con una moltitudine di telescopi sulla Terra e nello spazio. Combinando le informazioni provenienti dai vari tipi di osservazioni in un approccio noto come astronomia multi-messaggero, gli scienziati potrebbero approfondire i dettagli di questo fenomeno mai osservato prima.

Con Atena e Lisa insieme, potremmo applicare per la prima volta l'astronomia multi-messaggero ai buchi neri supermassicci. Le simulazioni prevedono che le loro fusioni, a differenza di quelli delle loro controparti di massa stellare, emettono sia onde gravitazionali che radiazioni, quest'ultima originata nel caldo, gas interstellare delle due galassie in collisione agitato dalla coppia di buchi neri quando cadono l'uno verso l'altro.

LISA rileverà le onde gravitazionali emesse dai buchi neri a spirale circa un mese prima della loro coalescenza finale, quando sono ancora separati da una distanza equivalente a parecchie volte i loro raggi. Gli scienziati si aspettano che una frazione delle fusioni trovate da LISA, soprattutto quelli entro distanze di qualche miliardo di anni luce da noi, darà origine a un segnale a raggi X che può essere eventualmente visto da Athena.

"Quando LISA rileva per la prima volta un segnale, non sapremo ancora da dove viene esattamente, perché LISA è un sensore per tutto il cielo, quindi funziona più come un microfono che come un telescopio, " spiega Paolo.

"Però, mentre i buchi neri si ispirano l'uno verso l'altro, l'ampiezza del loro segnale d'onda gravitazionale aumenta. Questo, accoppiato con il moto dei satelliti lungo le loro orbite, consentirà a LISA di migliorare gradualmente la localizzazione della sorgente nel cielo, fino al momento in cui i buchi neri finalmente si fondono."

A pochi giorni dalla fase finale della fusione, i dati dell'onda gravitazionale limiteranno la posizione della sorgente a una zona del cielo che misura circa 10 gradi quadrati, circa 50 volte l'area della Luna piena. Questo è ancora abbastanza grande, ma consentirebbe ad Athena di iniziare a scrutare il cielo per cercare un segnale a raggi X da questo scontro titanico. Le simulazioni indicano che i due buchi neri a spirale modulano il movimento del gas circostante, quindi è probabile che la firma dei raggi X avrà una frequenza commisurata a quella del segnale dell'onda gravitazionale.

Quindi, a poche ore dalla definitiva coalescenza dei buchi neri, LISA può fornire un'indicazione molto più precisa nel cielo, all'incirca le dimensioni del campo visivo dell'Athena's Wide Field Imager (WFI), quindi l'osservatorio a raggi X può puntare direttamente verso la sorgente.

"Catturare il segnale a raggi X prima che i buchi neri diventino uno sarà molto impegnativo, ma siamo abbastanza fiduciosi di poter effettuare un rilevamento durante e dopo la fusione, " spiega Matteo.

"Potremmo vedere l'emergere di una nuova sorgente di raggi X, e forse assistere alla nascita di un nucleo galattico attivo, con getti di particelle ad alta energia lanciati a velocità prossime a quella della luce al di sopra e al di là del buco nero appena formato".

Non abbiamo mai osservato la fusione di buchi neri supermassicci:non abbiamo ancora le strutture per tali osservazioni. Primo, abbiamo bisogno che LISA rilevi le onde gravitazionali e ci dica dove guardare nel cielo; quindi abbiamo bisogno che Athena lo osservi con alta precisione ai raggi X per vedere come la potente collisione influenza il gas che circonda i buchi neri. Possiamo usare la teoria e le simulazioni per prevedere cosa potrebbe accadere, ma dobbiamo combinare queste due grandi missioni per scoprirlo.

Cento anni fa questo mese, il 29 maggio 1919, le osservazioni delle posizioni delle stelle durante un'eclissi totale di Sole hanno fornito la prima prova empirica della curvatura gravitazionale della luce prevista alcuni anni prima dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein. Questa storica eclissi ha inaugurato un secolo di esperimenti gravitazionali sulla Terra e nello spazio, preparando il terreno per missioni stimolanti come Athena e LISA, e scoperte più emozionanti.