I buchi neri supermassicci sono i buchi neri più grandi, con masse che possono superare il miliardo di Soli. proprio questa primavera, è stata scattata la prima immagine in assoluto del buco nero supermassiccio al centro della galassia Messier 87, e i ricercatori hanno recentemente individuato il più grande buco nero supermassiccio mai visto. Nonostante questi sforzi pionieristici, capire come questi buchi neri guidano la forma e la struttura di una galassia continua a essere una sfida perché la maggior parte di essi è troppo lontana per essere risolta con precisione dai telescopi attuali.

Uno studio pubblicato su Astronomia della natura descrive un nuovo modo di "pesare" i buchi neri supermassicci al centro delle galassie utilizzando le distanze tra le galassie vicine come proxy. La ricerca è stata una collaborazione globale che ha coinvolto ricercatori di istituzioni nel Regno Unito, Italia, Germania, Chile, e gli Stati Uniti, tra cui la facoltà Penn Mariangela Bernardi e Ravi Sheth.

L'ottenimento di una stima accurata della massa di un buco nero supermassiccio viene solitamente effettuato misurando la velocità della polvere e del gas che gli turbinano attorno. Ciò richiede telescopi estremamente sensibili che utilizzano un'analisi complessa, e può essere fatto solo per i buchi neri che sono abbastanza grandi da risolversi e sono relativamente vicini alla Terra. Però, se questa massa è correlata con altre proprietà della galassia ospite, quelli che possono essere misurati anche quando il buco nero è più piccolo o più lontano, si possono usare queste altre proprietà come "proxy" per la massa.

Però, spiega Bernardi, "Ci siamo resi conto che c'è una distorsione nel campione vicino che è stato usato per calibrare le masse. Gli oggetti per i quali siamo attualmente in grado di misurare le masse non sembrano essere tipici. Il nostro lavoro ha suggerito che i buchi neri supermassicci sono, in media, non così massiccio come si pensava in precedenza."

Per verificare questa differenza di massa, i ricercatori hanno ideato un modo nuovo e molto diverso per stimare le masse dei buchi neri. Hanno usato il fatto che, mentre un buco nero è circondato dalla sua galassia ospite, la galassia stessa è circondata da un "alone" ancora più grande fatto di materia oscura. È noto che le galassie circondate da aloni più massicci si raggruppano con altri grandi, galassie massicce. Poiché esistono buchi neri più massicci in galassie più massicce che hanno aloni più massicci, la forza di raggruppamento in realtà "pesa" gli aloni di materia oscura e, per delega, le masse dei buchi neri al loro centro.

Questa nuova misurazione suggerisce anche che i buchi neri supermassicci sono meno massicci di quanto si pensasse in precedenza, e potrebbe spiegare perché alcuni esperimenti in corso non hanno prodotto i risultati attesi. Come un esempio, pulsar, resti di stelle esplose, brillano come fari che ruotano molto rapidamente che ruotano centinaia di volte al secondo. La luce delle pulsar viene emessa in tempi incredibilmente brevi, intervalli regolari mentre il raggio passa più e più volte oltre la Terra. I ricercatori stanno attualmente cercando onde gravitazionali causate dalla collisione di due buchi neri supermassicci, che dovrebbe far sì che questi raggi si avvicinino e si allontanino dalla Terra mentre l'onda scorre veloce e influenza la tempistica degli impulsi.

Poiché i cambiamenti previsti non sono ancora stati visti, dice Sheth, "La gente cominciava a preoccuparsi che forse la gravità fosse strana, o forse non comprendiamo appieno la fisica delle fusioni che creano le onde gravitazionali. Ma se le masse dei veri buchi neri sono più piccole di quanto si pensasse in precedenza, allora le onde gravitazionali previste sarebbero più deboli, rendendo i cambiamenti nella tempistica delle pulsar più difficili da rilevare."

Nei prossimi 10 anni, si prevede che i nuovi telescopi saranno in grado di ottenere misurazioni di massa più accurate per i buchi neri e offriranno l'opportunità ai ricercatori di testare il loro nuovo metodo rispetto a set di dati più grandi. Strutture come l'Extremely Large Telescope, un 39 metri che dovrebbe essere terminato nel 2025, potrebbe consentire ai ricercatori di misurare direttamente i buchi neri più piccoli e più distanti e le loro galassie ospiti.

"Questi risultati hanno implicazioni significative per la nostra comprensione dell'evoluzione e della crescita dei buchi neri supermassicci, ", afferma l'autore principale Francesco Shankar. Bernardi aggiunge che questo lavoro consentirà anche ai ricercatori di studiare ulteriormente la connessione tra la crescita dei buchi neri supermassicci e l'evoluzione delle galassie.