I dati dell'osservatorio a raggi X XMM-Newton dell'ESA hanno rivelato come i buchi neri supermassicci formino le loro galassie ospiti con potenti venti che spazzano via la materia interstellare.

In un nuovo studio, gli scienziati hanno analizzato otto anni di osservazioni XMM-Newton del buco nero al centro di una galassia attiva nota come PG 1114+445, mostrando come i venti ultraveloci - flussi di gas emessi dal disco di accrescimento molto vicino al buco nero - interagiscono con la materia interstellare nelle parti centrali della galassia. Questi deflussi sono stati individuati in precedenza, ma il nuovo studio identifica chiaramente, per la prima volta, tre fasi della loro interazione con la galassia ospite.

"Questi venti potrebbero spiegare alcune correlazioni sorprendenti che gli scienziati conoscono da anni ma non sono in grado di spiegare, " ha detto l'autore principale Roberto Serafinelli dell'Istituto Nazionale di Astrofisica di Milano, Italia, che ha condotto la maggior parte del lavoro come parte del suo dottorato di ricerca. presso l'Università degli Studi di Roma Tor Vergata.

"Per esempio, vediamo una correlazione tra le masse dei buchi neri supermassicci e la dispersione della velocità delle stelle nelle parti interne delle loro galassie ospiti. Ma non è possibile che ciò sia dovuto all'effetto gravitazionale del buco nero. Il nostro studio per la prima volta mostra come questi venti di buchi neri abbiano un impatto sulla galassia su scala più ampia, possibilmente fornendo il collegamento mancante."

Gli astronomi hanno precedentemente rilevato due tipi di deflussi negli spettri di raggi X emessi dai nuclei galattici attivi, le dense regioni centrali delle galassie note per contenere buchi neri supermassicci. I cosiddetti deflussi ultraveloci (UFO), fatto di gas altamente ionizzato, viaggiano a velocità fino al 40% della velocità della luce e sono osservabili nelle vicinanze del buco nero centrale.

Deflussi più lenti, denominati assorbitori di calore, viaggiano a velocità molto più basse di centinaia di km/s e hanno caratteristiche fisiche simili, come la densità delle particelle e la ionizzazione, alla materia interstellare circostante. Questi deflussi più lenti hanno maggiori probabilità di essere rilevati a distanze maggiori dai centri galattici.

Nel nuovo studio, gli scienziati descrivono un terzo tipo di deflusso che combina le caratteristiche dei due precedenti:la velocità di un UFO e le proprietà fisiche di un assorbitore di calore.

"Crediamo che questo sia il punto in cui l'UFO tocca la materia interstellare e la spazza via come uno spazzaneve, " ha detto Serafinelli. "Chiamiamo questo un 'deflusso ultraveloce trascinato' perché l'UFO in questa fase sta penetrando nella materia interstellare. È simile al vento che spinge le barche in mare".

Questo trascinamento avviene a una distanza di decine o centinaia di anni luce dal buco nero. L'UFO spinge gradualmente la materia interstellare lontano dalle parti centrali della galassia, liberandolo dal gas e rallentando l'accrescimento della materia attorno al buco nero supermassiccio.

Mentre i modelli hanno previsto questo tipo di interazione in precedenza, il presente studio è il primo a presentare osservazioni effettive delle tre fasi.

"Nei dati XMM-Newton, possiamo vedere materiale a distanze maggiori dal centro della galassia che non è stato ancora disturbato dall'UFO interno, ", ha affermato il coautore Francesco Tombesi dell'Università di Roma Tor Vergata e del Goddard Space Flight Center della NASA. "Possiamo anche vedere le nuvole più vicine al buco nero, vicino al nucleo della galassia, dove l'UFO ha iniziato a interagire con la materia interstellare".

Questa prima interazione avviene molti anni dopo che l'UFO ha lasciato il buco nero. Ma l'energia dell'UFO consente al buco nero relativamente piccolo di colpire il materiale ben oltre la portata della sua forza gravitazionale.

Secondo gli scienziati, i buchi neri supermassicci trasferiscono la loro energia nell'ambiente circostante attraverso questi deflussi e liberano gradualmente le regioni centrali della galassia dal gas, che potrebbe quindi fermare la formazione stellare. Infatti, le galassie oggi producono stelle molto meno frequentemente di quanto non facessero nelle prime fasi della loro evoluzione.

"Questa è la sesta volta che vengono rilevati questi deflussi, " disse Serafinelli. "È tutta una scienza nuovissima. Queste fasi del deflusso sono state precedentemente osservate separatamente, ma la connessione tra loro non era chiara fino ad ora".

La risoluzione energetica senza precedenti di XMM-Newton è stata la chiave per differenziare i tre tipi di caratteristiche corrispondenti ai tre tipi di deflussi. Nel futuro, con nuovi e più potenti osservatori come l'Advanced Telescope for High Energy Astrophysics dell'ESA, Atena, gli astronomi potranno osservare centinaia di migliaia di buchi neri supermassicci, rilevare più facilmente tali deflussi. Atena, che sarà più di 100 volte più sensibile di XMM-Newton, è previsto per il lancio nei primi anni 2030.

"Trovare una fonte è fantastico, ma sapere che questo fenomeno è comune nell'Universo sarebbe una vera svolta, " ha detto Norbert Schartel, Scienziato del progetto XMM-Newton all'ESA. "Anche con XMM-Newton, potremmo essere in grado di trovare più fonti di questo tipo nel prossimo decennio".

More data in the future will help unravel the complex interactions between the supermassive black holes and their host galaxies in detail and explain the decrease in star formation that astronomers observe to have taken place over billions of years.