Buchi neri supermassicci, pesando milioni o addirittura miliardi di volte la massa del nostro Sole, sono ancora solo una piccola frazione della massa delle galassie in cui abitano. Ma in alcuni casi, il buco nero centrale è la coda che agita il cane. Sembra che i buchi neri possano essere caldi o freddi quando si tratta di migliorare o soffocare la nascita di stelle all'interno di un ammasso di galassie.

Tipicamente, buchi neri giganti, pompare energia tramite getti, mantenere il gas interstellare troppo caldo per condensare e formare le stelle. Ora, gli astronomi hanno scoperto un ammasso di galassie, chiamato ammasso della Fenice, dove le stelle si stanno formando a un ritmo furioso a causa dell'influenza del buco nero. Questo turboboost stellare è apparentemente collegato a getti meno energetici provenienti da un buco nero centrale che non aumentano la temperatura del gas. Anziché, il gas perde energia mentre si illumina ai raggi X. Il gas si raffredda fino al punto in cui può formare un gran numero di stelle a una velocità mozzafiato. Dove la nostra Via Lattea forma in media una stella all'anno, stelle appena nate stanno spuntando da questo gas freddo a una velocità di circa 500 masse solari all'anno nell'ammasso Phoenix.

Svelare questo mistero ha richiesto la potenza combinata del telescopio spaziale Hubble della NASA, Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, e l'osservatorio radiofonico Very Large Array (VLA) vicino a Socorro, Nuovo Messico.

I dati radio VLA rivelano getti che esplodono dalle vicinanze del buco nero centrale. Questi getti hanno gonfiato bolle nel gas caldo che vengono rilevate nei raggi X da Chandra. Hubble risolve i filamenti blu brillante delle stelle appena nate nelle cavità tra il getto caldo e le nuvole di gas. Man mano che il buco nero è diventato più massiccio e più potente, la sua influenza è andata aumentando.

Gli astronomi hanno confermato il primo esempio di un ammasso di galassie nel cui nucleo stanno nascendo un gran numero di stelle. Utilizzando i dati dei telescopi spaziali della NASA e di un radioosservatorio della National Science Foundation, i ricercatori hanno raccolto nuovi dettagli su come i buchi neri più massicci nell'universo influenzano le loro galassie ospiti.

Gli ammassi di galassie sono le strutture più grandi del cosmo tenute insieme dalla gravità, costituito da centinaia o migliaia di galassie immerse nel gas caldo, così come la materia oscura invisibile. I più grandi buchi neri supermassicci conosciuti si trovano nelle galassie al centro di questi ammassi.

Per decenni, gli astronomi hanno cercato ammassi di galassie contenenti ricchi vivai di stelle nelle loro galassie centrali. Anziché, trovarono potenti, buchi neri giganti che pompano energia attraverso getti di particelle ad alta energia e mantengono il gas troppo caldo per formare molte stelle.

Ora, gli scienziati hanno prove convincenti di un ammasso di galassie in cui le stelle si stanno formando a un ritmo furioso, apparentemente legato a un buco nero meno efficace al suo centro. In questo cluster unico, i getti del buco nero centrale sembrano invece favorire la formazione delle stelle. I ricercatori hanno utilizzato nuovi dati dall'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA e dal telescopio spaziale Hubble, e Karl Jansky Very Large Array (VLA) della NSF per basarsi su precedenti osservazioni di questo cluster.

"Questo è un fenomeno che gli astronomi stavano cercando di trovare da molto tempo, " ha detto Michael McDonald, astronomo del Massachusetts Institute of Technology (MIT), che ha condotto lo studio. "Questo cluster dimostra che, in alcuni casi, la produzione energetica di un buco nero può effettivamente aumentare il raffreddamento, portando a conseguenze drammatiche».

Il buco nero si trova al centro di un ammasso di galassie chiamato Ammasso della Fenice, situato a circa 5,8 miliardi di anni luce dalla Terra nella costellazione della Fenice. La grande galassia che ospita il buco nero è circondata da gas caldo con temperature di milioni di gradi. La massa di questo gas, equivalenti a trilioni di Soli, è parecchie volte maggiore della massa combinata di tutte le galassie dell'ammasso.

Questo gas caldo perde energia mentre si illumina ai raggi X, che dovrebbe farlo raffreddare fino a formare un gran numero di stelle. Però, in tutti gli altri ammassi di galassie osservati, esplosioni di energia guidate da un tale buco nero impediscono il raffreddamento della maggior parte del gas caldo, prevenire la nascita diffusa delle stelle.

"Immagina di far funzionare un condizionatore d'aria in casa in una giornata calda, ma poi accendendo un fuoco di legna. Il tuo soggiorno non può raffreddarsi adeguatamente finché non spegni il fuoco, ", ha affermato il coautore Brian McNamara dell'Università di Waterloo in Canada. "Allo stesso modo, quando la capacità di riscaldamento di un buco nero viene disattivata in un ammasso di galassie, il gas può quindi raffreddarsi."

La prova della rapida formazione stellare nell'ammasso Phoenix era stata precedentemente riportata nel 2012 da un team guidato da McDonald. Ma sono state necessarie osservazioni più approfondite per apprendere dettagli sul ruolo del buco nero centrale nella rinascita delle stelle nella galassia centrale, e come questo potrebbe cambiare in futuro.

Combinando lunghe osservazioni a raggi X, ottico, e luce radiofonica, i ricercatori hanno ottenuto un miglioramento di dieci volte nella qualità dei dati rispetto alle osservazioni precedenti. I nuovi dati Chandra rivelano che il gas caldo si sta raffreddando quasi alla velocità prevista in assenza di energia iniettata da un buco nero. I nuovi dati di Hubble mostrano che circa 10 miliardi di masse solari di gas freddo si trovano lungo i filamenti che conducono verso il buco nero, e le giovani stelle si stanno formando da questo gas freddo a una velocità di circa 500 masse solari all'anno. A confronto, le stelle si stanno formando nella galassia della Via Lattea al ritmo di circa una massa solare all'anno.

I dati radio VLA rivelano getti che esplodono dalle vicinanze del buco nero centrale. Questi getti probabilmente hanno gonfiato bolle nel gas caldo rilevate nei dati di Chandra. Sia i getti che le bolle sono la prova della rapida crescita passata del buco nero. All'inizio di questa crescita, il buco nero potrebbe essere stato sottodimensionato, rispetto alla massa della sua galassia ospite, che consentirebbe di non controllare il raffreddamento rapido.

"Nel passato, le esplosioni del buco nero sottodimensionato potrebbero essere state semplicemente troppo deboli per riscaldare l'ambiente circostante, permettendo al gas caldo di iniziare a raffreddarsi, " ha detto il co-autore Matthew Bayliss, che era ricercatore al MIT durante questo studio, ma recentemente è entrato a far parte della facoltà dell'Università di Cincinnati. "Ma poiché il buco nero è diventato più massiccio e più potente, la sua influenza è andata aumentando".

Il raffreddamento può continuare quando il gas viene portato via dal centro dell'ammasso dalle esplosioni del buco nero. A una distanza maggiore dall'influenza del riscaldamento del buco nero, il gas si raffredda più velocemente di quanto possa ricadere verso il centro del cluster. Questo scenario spiega l'osservazione che il gas freddo si trova attorno ai bordi delle cavità, sulla base di un confronto tra i dati di Chandra e Hubble.

Alla fine lo sfogo genererà abbastanza turbolenza, onde sonore e onde d'urto (simili ai boom sonici prodotti dagli aerei supersonici) per fornire fonti di calore e prevenire un ulteriore raffreddamento. Ciò continuerà fino a quando l'esplosione non cessa e l'accumulo di gas freddo può ricominciare. L'intero ciclo può quindi ripetersi.

"Questi risultati mostrano che il buco nero ha temporaneamente assistito alla formazione di stelle, ma quando si rafforza i suoi effetti cominceranno a imitare quelli dei buchi neri in altri ammassi, soffocando più nascite stellari, " ha detto il coautore Mark Voit della Michigan State University di East Lansing, Michigan.

La mancanza di oggetti simili mostra che gli ammassi e i loro enormi buchi neri attraversano la fase di rapida formazione stellare in tempi relativamente brevi.

Un articolo che descrive questi risultati è stato pubblicato in un recente numero di The Giornale Astrofisico , e una prestampa è disponibile online.