Il telescopio spaziale Spitzer della NASA cattura la galassia NGC 4395 alla luce infrarossa. NGC 4395 è circa 1, 000 volte più piccola della Via Lattea, e un team di astronomi tra cui Elena Gallo di UM ha determinato la massa del buco nero al suo centro. Credito:NASA
Se gli astronomi vogliono sapere come si formano i buchi neri supermassicci, devono iniziare in piccolo, davvero in piccolo, astronomicamente parlando.
Infatti, un team che include l'astronoma dell'Università del Michigan Elena Gallo ha scoperto che un buco nero al centro di una vicina galassia nana, chiamato NGC 4395, è circa 40 volte più piccolo di quanto si pensasse in precedenza. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Astronomia della natura .
Attualmente, gli astronomi credono che i buchi neri supermassicci si trovino al centro di ogni galassia massiccia quanto o più grande della Via Lattea. Ma sono curiosi anche dei buchi neri nelle galassie più piccole come NGC 4395. Conoscere la massa del buco nero al centro di NGC 4395, ed essere in grado di misurarla con precisione, può aiutare gli astronomi ad applicare queste tecniche ad altri buchi neri.
"La domanda rimane aperta per le galassie piccole o nane:queste galassie hanno buchi neri, e se lo fanno, si ridimensionano allo stesso modo dei buchi neri supermassicci?" ha detto Gallo. "Rispondere a queste domande potrebbe aiutarci a capire il meccanismo stesso attraverso il quale questi mostri buchi neri sono stati assemblati quando l'universo era nella sua infanzia".
Per determinare la massa del buco nero di NGC, Gallo e i suoi colleghi ricercatori hanno utilizzato la mappatura del riverbero. Questa tecnica misura la massa monitorando le radiazioni emesse da quello che viene chiamato un disco di accrescimento attorno al buco nero. Un disco di accrescimento è una massa di materia raccolta dall'attrazione gravitazionale dei buchi neri.
Quando la radiazione si sposta verso l'esterno da questo disco di accrescimento, passa attraverso un'altra nuvola di materiale più lontana dal buco nero che è più diffusa del disco di accrescimento. Questa zona è chiamata la regione a linea larga.
Quando la radiazione colpisce il gas nella regione a linea larga, fa sì che gli atomi in esso subiscano una transizione. Ciò significa che la radiazione fa uscire un elettrone dal guscio di un atomo di idrogeno, Per esempio, facendo in modo che l'atomo occupi un livello più energetico dell'atomo. Dopo che la radiazione è passata, l'atomo ritorna al suo stato precedente. Gli astronomi possono immaginare questa transizione, che sembra un lampo di luminosità.
Eco di luce misurata dal buco nero centrale in una galassia nana NGC 4395. Il ritardo temporale tra il continuum dal disco di accrescimento del buco nero (curva di luce blu) e l'emissione di idrogeno dalle nuvole di gas orbitanti (curva di luce rossa) è misurato come ~80 minimo, fornendo il tempo di viaggio della luce dal buco nero alla regione di emissione del gas. Credito per l'immagine NGC 4395:Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Università dell'Arizona. Credito per l'illustrazione del disco di accrescimento:NASA/Chandra X-ray Observatory/M. Weiss.
Misurando quanto tempo impiega la radiazione del disco di accrescimento a colpire la regione a linea larga e causare questi lampi, gli astronomi possono stimare quanto dista la regione della linea larga dal buco nero. Utilizzando queste informazioni, possono quindi calcolare la massa del buco nero.
"Si pensa che la distanza dipenda dalla massa del buco nero, " disse Gallo. "Più grande è il buco nero, maggiore è la distanza e più tempo ci si aspetta che la luce emessa dal disco di accrescimento colpisca la regione a linea larga."
Utilizzando i dati dell'Osservatorio MDM, gli astronomi hanno calcolato che ci sono voluti circa 83 minuti, dare o prendere 14 minuti, affinché la radiazione raggiunga la regione a linea larga dal disco di accrescimento. Per calcolare la massa del buco nero, dovevano anche misurare la velocità intrinseca della regione a linea larga, che è la velocità con cui la nube della regione si muove sotto l'influenza della gravità del buco nero. Per fare questo, hanno preso uno spettro di alta qualità con lo spettrometro GMOS sul telescopio GEMINI North.
Conoscendo questo numero, la velocità della regione a linea larga, la velocità della luce e la cosiddetta costante gravitazionale, o una misura della forza gravitazionale, gli astronomi sono stati in grado di determinare che la massa del buco nero era di circa 10, 000 volte la massa del nostro sole, circa 40 volte più leggera di quanto si pensasse in precedenza. Questo è anche il buco nero più piccolo trovato tramite la mappatura del riverbero.
"Questo regime di galassie nane è in gran parte inesplorato quando si tratta delle proprietà dei loro buchi neri nucleari, "Gallo ha detto. "Non sappiamo nemmeno se ogni galassia ha un buco nero. Questo aggiunge un nuovo membro alla famiglia dei buchi neri di cui abbiamo informazioni".
Queste informazioni potrebbero anche aiutare gli astronomi a capire quanto buchi neri più grandi formino le galassie che occupano. Un campo chiamato feedback del buco nero esplora come i buchi neri influenzano le proprietà delle loro galassie ospiti su scale molto più grandi di quanto dovrebbe raggiungere la loro attrazione gravitazionale.
"Non c'è motivo per cui le stelle che vivono a ordini di grandezza più grandi dell'area in cui domina la gravità del buco nero dovrebbero anche sapere che c'è un buco nero nella loro galassia, ma in qualche modo lo fanno, " ha detto Gallo. "I buchi neri in qualche modo modellano la galassia in cui vivono su scale molto grandi, e poiché non sappiamo molto delle galassie più piccole con i loro buchi neri più piccoli, non sappiamo se sia vero fino in fondo. Con questa misura, possiamo aggiungere ulteriori informazioni a questa relazione".
Questo risultato è il risultato di una partnership tra U-M Astronomy e il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Seoul National University. Le osservazioni sono state effettuate presso l'osservatorio GEMINI North alle Hawaii e l'Osservatorio MDM in Arizona. GEMINI è gestito da una partnership tra gli Stati Uniti, Canada, Chile, Brasile, Argentina e Corea.
