Questa illustrazione raffigura un omicidio cosmico in azione. Una stella ribelle viene distrutta dall'intensa attrazione gravitazionale di un buco nero che contiene decine di migliaia di masse solari. I resti stellari stanno formando un disco di accrescimento attorno al buco nero. Lampi di luce a raggi X dal disco di gas surriscaldato hanno allertato gli astronomi sulla posizione del buco nero; altrimenti si nascondeva sconosciuto nell'oscurità. L'oggetto sfuggente è classificato come un buco nero di massa intermedia (IMBH), poiché è molto meno massiccio dei mostri buchi neri che abitano nei centri delle galassie. Perciò, Gli IMBH sono per lo più quiescenti perché non assorbono tanto materiale, e sono difficili da trovare. Le osservazioni di Hubble forniscono la prova che l'IMBH dimora all'interno di un denso ammasso stellare. L'ammasso stesso potrebbe essere il nucleo ridotto di una galassia nana. Credito:NASA, ESA e D. Player (STScI)
Gli astronomi hanno trovato la migliore prova per l'autore di un omicidio cosmico:un buco nero di una classe sfuggente nota come "massa intermedia, " che ha tradito la sua esistenza facendo a pezzi una stella ribelle che è passata troppo vicino.
Con un peso di circa 50, 000 volte la massa del nostro Sole, il buco nero è più piccolo dei buchi neri supermassicci (a milioni o miliardi di masse solari) che si trovano nei nuclei delle grandi galassie, ma più grandi dei buchi neri di massa stellare formati dal collasso di una stella massiccia.
Questi cosiddetti buchi neri di massa intermedia (IMBH) sono un "anello mancante" a lungo cercato nell'evoluzione dei buchi neri. Sebbene ci siano stati alcuni altri candidati IMBH, i ricercatori considerano queste nuove osservazioni la prova più forte mai vista per i buchi neri di medie dimensioni nell'universo.
Ci sono voluti la potenza combinata di due osservatori a raggi X e la visione acuta del telescopio spaziale Hubble della NASA per inchiodare la bestia cosmica.
"I buchi neri di massa intermedia sono oggetti molto elusivi, e quindi è fondamentale considerare attentamente ed escludere spiegazioni alternative per ciascun candidato. Questo è ciò che Hubble ci ha permesso di fare per il nostro candidato, " ha detto Dacheng Lin dell'Università del New Hampshire, ricercatore principale dello studio. I risultati sono pubblicati il 31 marzo 2020, nel Lettere per riviste astrofisiche .
La storia della scoperta sembra una storia di Sherlock Holmes, coinvolgendo la meticolosa costruzione del caso passo dopo passo necessaria per catturare il colpevole.
Lin e il suo team hanno utilizzato Hubble per seguire le tracce dell'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA e della missione multispecchio a raggi X dell'ESA (l'Agenzia spaziale europea) (XMM-Newton). Nel 2006 questi satelliti hanno rilevato un potente bagliore di raggi X, ma non sono stati in grado di determinare se provenisse dall'interno o dall'esterno della nostra galassia. I ricercatori lo hanno attribuito a una stella che è stata fatta a pezzi dopo essersi avvicinata troppo a un oggetto compatto gravitazionalmente potente, come un buco nero.
Sorprendentemente, la sorgente di raggi X, denominato 3XMM J215022.4?055108, non era situato al centro di una galassia, dove normalmente risiederebbero enormi buchi neri. Ciò ha sollevato speranze che un IMBH fosse il colpevole, ma prima doveva essere esclusa un'altra possibile fonte del brillamento di raggi X:una stella di neutroni nella nostra galassia della Via Lattea, raffreddamento dopo essere stato riscaldato ad una temperatura molto elevata. Le stelle di neutroni sono i resti frantumati di una stella esplosa.
Hubble è stato puntato verso la sorgente di raggi X per determinare la sua posizione precisa. Profondo, l'imaging ad alta risoluzione fornisce una forte prova che i raggi X non provenivano da una fonte isolata nella nostra galassia, ma invece in un lontano, denso ammasso stellare alla periferia di un'altra galassia, proprio il tipo di luogo che gli astronomi si aspettavano di trovare un IMBH. Precedenti ricerche di Hubble hanno dimostrato che la massa di un buco nero al centro di una galassia è proporzionale al rigonfiamento centrale di quella galassia ospite. In altre parole, quanto più massiccia è la galassia, quanto più massiccio è il suo buco nero. Perciò, l'ammasso stellare che ospita 3XMM J215022.4?055108 potrebbe essere il nucleo ridotto di una galassia nana di massa inferiore che è stata interrotta gravitazionalmente e dalle maree dalle sue strette interazioni con la sua attuale galassia ospite più grande.
Questa immagine del telescopio spaziale Hubble ha identificato la posizione di un buco nero di massa intermedia, peso 50, 000 volte la massa del nostro Sole (rendendolo molto più piccolo dei buchi neri supermassicci che si trovano nei centri delle galassie). Il buco nero, denominato 3XMM J215022.4?055108, è indicato dal cerchio bianco. Il tipo elusivo di buco nero è stato identificato per la prima volta in un'esplosione di raggi X rivelatori emessi dal gas caldo di una stella mentre veniva catturata e distrutta dal buco nero. Hubble era necessario per individuare la posizione del buco nero alla luce visibile. Hubble è profondo, l'imaging ad alta risoluzione mostra che il buco nero risiede all'interno di un denso ammasso di stelle che è ben oltre la nostra galassia della Via Lattea. L'ammasso stellare si trova nelle vicinanze della galassia al centro dell'immagine. Galassie di sfondo dall'aspetto molto più piccolo appaiono sparse intorno all'immagine, inclusa una spirale frontale appena sopra la galassia centrale in primo piano. Questa foto è stata scattata con la Advanced Camera for Surveys di Hubble. Credito:NASA, ESA e D. Lin (Università del New Hampshire)
Gli IMBH sono stati particolarmente difficili da trovare perché sono più piccoli e meno attivi dei buchi neri supermassicci; non hanno fonti di combustibile prontamente disponibili, né una forza gravitazionale così forte da attirare stelle e altro materiale cosmico che produrrebbe bagliori rivelatori di raggi X. Gli astronomi devono essenzialmente cogliere in flagrante un IMBH nell'atto di divorare una stella. Lin e i suoi colleghi hanno setacciato l'archivio dati di XMM-Newton, cercando centinaia di migliaia di osservazioni per trovare un candidato IMBH.
Il bagliore dei raggi X della stella frantumata ha permesso agli astronomi di stimare la massa del buco nero di 50, 000 masse solari. La massa dell'IMBH è stata stimata in base sia alla luminosità dei raggi X che alla forma spettrale. "Questo è molto più affidabile rispetto all'utilizzo della sola luminosità dei raggi X come in genere fatto prima per i precedenti candidati IMBH, " said Lin. "The reason why we can use the spectral fits to estimate the IMBH mass for our object is that its spectral evolution showed that it has been in the thermal spectral state, a state commonly seen and well understood in accreting stellar-mass black holes."
This artist's impression depicts a star being torn apart by an intermediate-mass black hole (IMBH), surrounded by an accretion disc. This thin, rotating disc of material consists of the leftovers of a star which was ripped apart by the tidal forces of the black hole. Credito:ESA/Hubble, M. Kornmesser
This object isn't the first to be considered a likely candidate for an intermediate-mass black hole. In 2009 Hubble teamed up with NASA's Swift observatory and ESA's XMM-Newton to identify what is interpreted as an IMBH, called HLX-1, located towards the edge of the galaxy ESO 243-49. It too is in the center of a young, massive cluster of blue stars that may be a stripped-down dwarf galaxy core. The X-rays come from a hot accretion disk around the black hole. "The main difference is that our object is tearing a star apart, providing strong evidence that it is a massive black hole, instead of a stellar-mass black hole as people often worry about for previous candidates including HLX-1, " Lin said.
Finding this IMBH opens the door to the possibility of many more lurking undetected in the dark, waiting to be given away by a star passing too close. Lin plans to continue his meticulous detective work, using the methods his team has proved successful. Many questions remain to be answered. Does a supermassive black hole grow from an IMBH? How do IMBHs themselves form? Are dense star clusters their favored home?
