Il materiale che cade in un buco nero proietta i raggi X nello spazio e ora gli astronomi hanno usato gli echi di questa radiazione per mappare il comportamento dinamico e l'ambiente circostante di un buco nero stesso.

La maggior parte dei buchi neri sono troppo piccoli nel cielo per consentirci di determinare il loro ambiente immediato, ma possiamo ancora esplorare questi oggetti misteriosi osservando come si comporta la materia mentre si avvicina, e cade dentro, loro.

Mentre il materiale si muove verso un buco nero, si riscalda ed emette raggi X che, a sua volta, eco e riverbero mentre interagiscono con il gas vicino. Queste regioni dello spazio sono altamente distorte e deformate a causa della natura estrema e della gravità schiacciante del buco nero.

Ora, i ricercatori hanno utilizzato l'osservatorio a raggi X XMM-Newton dell'Agenzia spaziale europea per tracciare questi echi di luce e mappare i dintorni del buco nero al centro di una galassia attiva. I loro risultati sono riportati sulla rivista Astronomia della natura .

Denominato IRAS 13224-3809, la galassia ospite del buco nero è una delle sorgenti di raggi X più variabili nel cielo, subendo fluttuazioni molto grandi e rapide di luminosità di un fattore di 50 in poche ore.

"Tutti sanno come l'eco della propria voce suoni diverso quando si parla in un'aula rispetto a una cattedrale:questo è semplicemente dovuto alla geometria e ai materiali delle stanze, che fa sì che il suono si comporti e rimbalzi in modo diverso, " ha detto il dottor William Alston dell'Istituto di Astronomia di Cambridge, autore principale del nuovo studio.

"In modo simile, possiamo osservare come gli echi della radiazione X si propagano nelle vicinanze di un buco nero per mappare la geometria di una regione e lo stato di un ammasso di materia prima che scompaia nella singolarità. È un po' come un'eco-localizzazione cosmica".

Poiché le dinamiche del gas in caduta sono fortemente legate alle proprietà del buco nero consumante, Alston e i suoi colleghi sono stati anche in grado di determinare la massa e la rotazione del buco nero centrale della galassia osservando le proprietà della materia mentre si muoveva a spirale verso l'interno.

Il materiale forma un disco mentre cade nel buco nero. Sopra questo disco si trova una regione di elettroni caldi, con temperature di circa un miliardo di gradi, chiamata corona. Mentre gli scienziati si aspettavano di vedere gli echi di riverbero che hanno usato per mappare la geometria della regione, hanno anche notato qualcosa di inaspettato:la corona stessa è cambiata rapidamente di dimensioni, nell'arco di pochi giorni.

"Mentre le dimensioni della corona cambiano, così fa l'eco della luce, un po' come se il soffitto della cattedrale si muovesse su e giù, cambiando come suona l'eco della tua voce, " disse Alston.

"Seguendo gli echi di luce, siamo stati in grado di monitorare questa corona mutevole, e, cosa ancora più eccitante, ottenere valori molto migliori per la massa e la rotazione del buco nero di quanto avremmo potuto determinare se la corona non cambiasse di dimensioni. Sappiamo che la massa del buco nero non può essere fluttuante, quindi qualsiasi cambiamento nell'eco deve essere dovuto all'ambiente gassoso."

Lo studio ha utilizzato la più lunga osservazione di un buco nero in accrescimento mai effettuata con XMM-Newton, ha raccolto oltre 16 orbite di veicoli spaziali nel 2011 e nel 2016 per un totale di 2 milioni di secondi, poco più di 23 giorni. Questo, combinata con la forte variabilità a breve termine del buco nero stesso, ha permesso ad Alston e ai suoi collaboratori di modellare gli echi in modo completo su scale temporali di un giorno intero.

La regione esplorata in questo studio non è accessibile ad osservatori come l'Event Horizon Telescope, che è riuscito a scattare la prima foto in assoluto di gas nelle immediate vicinanze di un buco nero, quello che si trova al centro della vicina galassia massiccia M87. Il risultato, sulla base delle osservazioni effettuate con radiotelescopi in tutto il mondo nel 2017 e pubblicate lo scorso anno, divenne una sensazione globale.

"L'immagine dell'Event Horizon Telescope è stata ottenuta utilizzando un metodo noto come interferometria, una tecnica che può funzionare solo sui pochi buchi neri supermassicci più vicini alla Terra, come quelli in M87 e nella nostra galassia di casa, la via Lattea, perché la loro dimensione apparente nel cielo è abbastanza grande perché il metodo funzioni, " ha detto il co-autore Michael Parker, che è un ricercatore dell'ESA presso il Centro europeo di astronomia spaziale vicino a Madrid.

"Al contrario, il nostro approccio è in grado di sondare le poche centinaia di buchi neri supermassicci più vicini che stanno consumando attivamente materia, e questo numero aumenterà in modo significativo con il lancio del satellite Athena dell'ESA".

Caratterizzare gli ambienti che circondano strettamente i buchi neri è un obiettivo scientifico fondamentale per la missione Athena dell'ESA, il cui lancio è previsto per i primi anni 2030 e svelerà i segreti del caldo ed energico Universo.

Misurare la massa, la velocità di rotazione e accrescimento di un ampio campione di buchi neri è la chiave per comprendere la gravità in tutto il cosmo. Inoltre, poiché i buchi neri supermassicci sono fortemente legati alle proprietà della loro galassia ospite, questi studi sono anche fondamentali per approfondire la nostra conoscenza di come le galassie si formano e si evolvono nel tempo.

"Il grande set di dati fornito da XMM-Newton è stato essenziale per questo risultato, " ha detto Norbert Schartel, Scienziato del progetto ESA XMM-Newton. "La mappatura del riverbero è una tecnica che promette di rivelare molto sui buchi neri e sull'Universo più ampio nei prossimi anni. Spero che XMM-Newton effettui campagne di osservazione simili per diverse galassie più attive nei prossimi anni, in modo che il metodo sia completamente stabilito quando Athena viene lanciato."