Cavità giganti nel mezzo intracluster che emette raggi X (mostrate in blu, come osservato dall'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA) sono stati scavati da un'esplosione di un buco nero. I dati a raggi X sono sovrapposti ai dati ottici del telescopio spaziale Hubble (in rosso/arancione), dove è visibile anche la galassia centrale che probabilmente ospita il buco nero supermassiccio colpevole. Credito:Massachusetts Institute of Technology
Miliardi di anni fa, al centro di un ammasso di galassie lontano, lontano (15 miliardi di anni luce, per essere precisi), un buco nero ha vomitato getti di plasma. Mentre il plasma usciva dal buco nero, ha spinto via materiale, creando due grandi cavità a 180 gradi l'una dall'altra. Allo stesso modo puoi calcolare l'energia dell'impatto di un asteroide dalla dimensione del suo cratere, Michele Calzadilla, uno studente laureato presso il MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI), ha usato le dimensioni di queste cavità per capire la potenza dell'esplosione del buco nero.
In un recente articolo in Lettere per riviste astrofisiche , Calzadilla e i suoi coautori descrivono l'esplosione nell'ammasso di galassie SPT-CLJ0528-5300, o SPT-0528 in breve. Combinando il volume e la pressione del gas spostato con l'età delle due cavità, sono stati in grado di calcolare l'energia totale dell'esplosione. A maggiore di 10 54 joule di energia, una forza equivalente a circa 10 38 bombe nucleari, questa è la più potente esplosione segnalata in un lontano ammasso di galassie. I coautori del documento includono il ricercatore MKI Matthew Bayliss e l'assistente professore di fisica Michael McDonald.
L'universo è costellato di ammassi di galassie, collezioni di centinaia e persino migliaia di galassie permeate di gas caldo e materia oscura. Al centro di ogni ammasso c'è un buco nero, che attraversa periodi di alimentazione, dove divora plasma dall'ammasso, seguiti da periodi di esplosione esplosiva, dove emette getti di plasma una volta che ha raggiunto il suo riempimento. "Questo è un caso estremo della fase di sfogo, " dice Calzadilla della loro osservazione di SPT-0528. Anche se l'esplosione è avvenuta miliardi di anni fa, prima ancora che il nostro sistema solare si fosse formato, ci sono voluti circa 6,7 miliardi di anni perché la luce proveniente dall'ammasso di galassie arrivasse fino a Chandra, L'osservatorio per le emissioni di raggi X della NASA che orbita intorno alla Terra.
Poiché gli ammassi di galassie sono pieni di gas, le prime teorie su di loro prevedevano che quando il gas si raffreddava, gli ammassi vedrebbero alti tassi di formazione stellare, che necessitano di gas fresco per formarsi. Però, questi cluster non sono così belli come previsto e, come tale, non stavano producendo nuove stelle al ritmo previsto. Qualcosa impediva al gas di raffreddarsi completamente. I colpevoli erano buchi neri supermassicci, le cui esplosioni di plasma mantengono il gas negli ammassi di galassie troppo caldo per una rapida formazione stellare.
L'esplosione registrata in SPT-0528 ha un'altra particolarità che la distingue dalle altre esplosioni di buchi neri. È inutilmente grande. Gli astronomi considerano il processo di raffreddamento del gas e il rilascio di gas caldo dai buchi neri come un equilibrio che mantiene stabile la temperatura nell'ammasso di galassie, che si aggira intorno ai 18 milioni di gradi Fahrenheit. "È come un termostato, " dice McDonald. Lo sfogo in SPT-0528, però, non è in equilibrio.
Secondo Calzadilla, se guardi quanta energia viene rilasciata mentre il gas si raffredda sul buco nero rispetto a quanta energia è contenuta nell'esplosione, lo sfogo è enormemente esagerato. Nell'analogia di McDonald's, lo sfogo in SPT-0528 è un termostato difettoso. "È come se raffreddassi l'aria di 2 gradi, e la risposta del termostato è stata quella di riscaldare la stanza di 100 gradi, " spiega McDonald.
All'inizio del 2019, McDonald e colleghi hanno pubblicato un documento che esamina un diverso ammasso di galassie, uno che mostra un comportamento completamente opposto a quello di SPT-0528. Invece di uno sfogo inutilmente violento, il buco nero in questo ammasso, soprannominata Fenice, non è in grado di mantenere il gas dal raffreddamento. A differenza di tutti gli altri ammassi di galassie conosciuti, Phoenix è piena di asili nido giovanili, che lo distingue dalla maggior parte degli ammassi di galassie.
"Con questi due ammassi di galassie, stiamo davvero guardando i confini di ciò che è possibile ai due estremi, McDonald dice di SPT-0528 e Phoenix. Lui e Calzadilla caratterizzeranno anche gli ammassi di galassie più normali, per comprendere l'evoluzione degli ammassi di galassie nel tempo cosmico. Per esplorare questo, Calzadilla sta caratterizzando 100 ammassi di galassie.
La ragione per caratterizzare una collezione così ampia di ammassi di galassie è perché ogni immagine del telescopio sta catturando gli ammassi in un momento specifico nel tempo, mentre i loro comportamenti si verificano nel tempo cosmico. Questi gruppi coprono una gamma di distanze ed età, permettendo a Calzadilla di studiare come le proprietà degli ammassi cambiano nel tempo cosmico. "Questi sono tempi che sono molto più grandi di quelli umani o di quello che possiamo osservare, " spiega Calzadilla.
La ricerca è simile a quella di un paleontologo che cerca di ricostruire l'evoluzione di un animale da una scarsa documentazione fossile. Ma, al posto delle ossa, Calzadilla sta studiando ammassi di galassie, che vanno da SPT-0528 con la sua violenta esplosione di plasma da un lato a Phoenix con il suo rapido raffreddamento dall'altro. "Stai guardando diverse istantanee nel tempo, " dice Calzadilla. "Se costruisci campioni abbastanza grandi di ciascuna di quelle istantanee, puoi avere un'idea di come si evolve un ammasso di galassie."
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
