Il mistero che circonda il luogo in cui si trova un buco nero supermassiccio si è approfondito.

Nonostante la ricerca con l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA e il telescopio spaziale Hubble, gli astronomi non hanno prove che un buco nero distante che si stima pesi tra 3 miliardi e 100 miliardi di volte la massa del Sole sia da nessuna parte.

Questo buco nero mancante dovrebbe trovarsi nell'enorme galassia al centro dell'ammasso di galassie Abell 2261, che si trova a circa 2,7 miliardi di anni luce dalla Terra. Questa immagine composita di Abell 2261 contiene dati ottici di Hubble e del telescopio Subaru che mostrano le galassie nell'ammasso e sullo sfondo, e dati a raggi X di Chandra che mostrano gas caldo (di colore rosa) che pervade l'ammasso. Il centro dell'immagine mostra la grande galassia ellittica al centro dell'ammasso.

Quasi ogni grande galassia dell'Universo contiene un buco nero supermassiccio al centro, con una massa che è milioni o miliardi di volte quella del Sole. Poiché la massa di un buco nero centrale di solito segue la massa della galassia stessa, gli astronomi si aspettano che la galassia al centro di Abell 2261 contenga un buco nero supermassiccio che rivaleggia con il peso di alcuni dei più grandi buchi neri conosciuti nell'Universo.

Utilizzando i dati di Chandra ottenuti nel 1999 e nel 2004, gli astronomi avevano già cercato nel centro della grande galassia centrale di Abell 2261 segni di un buco nero supermassiccio. Hanno cercato materiale che è stato surriscaldato mentre cadeva verso il buco nero e produceva raggi X, ma non ha rilevato una tale fonte.

Ora, con nuovo, osservazioni Chandra più lunghe ottenute nel 2018, un team guidato da Kayhan Gultekin dell'Università del Michigan ad Ann Arbor ha condotto una ricerca più approfondita del buco nero al centro della galassia. Hanno anche considerato una spiegazione alternativa, in cui il buco nero è stato espulso dal centro della galassia ospite. Questo evento violento potrebbe essere il risultato della fusione di due galassie per formare la galassia osservata, accompagnato dal buco nero centrale in ogni galassia che si fonde per formare un enorme buco nero.

Quando i buchi neri si fondono, producono increspature nello spaziotempo chiamate onde gravitazionali. Se l'enorme quantità di onde gravitazionali generate da un tale evento fosse più forte in una direzione che nell'altra, la teoria prevede che il nuovo, un buco nero ancora più massiccio sarebbe stato inviato sbandando lontano dal centro della galassia nella direzione opposta. Questo è chiamato un buco nero che si ritira.

Gli astronomi non hanno trovato prove definitive per il rinculo dei buchi neri e non è noto se i buchi neri supermassicci si avvicinino abbastanza l'uno all'altro da produrre onde gravitazionali e fondersi; finora, gli astronomi hanno solo verificato le fusioni di buchi neri molto più piccoli. Il rilevamento di buchi neri supermassicci che si ritirano incoraggerebbe gli scienziati che utilizzano e sviluppano osservatori per cercare onde gravitazionali dalla fusione di buchi neri supermassicci.

La galassia al centro di Abell 2261 è un eccellente ammasso per cercare un buco nero in ritirata perché ci sono due segni indiretti che potrebbe aver avuto luogo una fusione tra due buchi neri massicci. Primo, i dati delle osservazioni ottiche di Hubble e Subaru rivelano un nucleo galattico - la regione centrale in cui il numero di stelle nella galassia in una data porzione della galassia è pari o vicino al valore massimo - che è molto più grande di quanto previsto per una galassia di la sua taglia. Il secondo segno è che la concentrazione più densa di stelle nella galassia è superiore a 2, 000 anni luce di distanza dal centro della galassia, che è sorprendentemente distante.

Queste caratteristiche sono state identificate per la prima volta da Marc Postman dello Space Telescope Science Institute (STScI) e dai collaboratori nelle loro precedenti immagini Hubble e Subaru, e li ha portati a suggerire l'idea di un buco nero fuso in Abell 2261. Durante una fusione, il buco nero supermassiccio in ogni galassia sprofonda verso il centro della galassia appena coalizzata. Se si legano l'uno all'altro per gravità e la loro orbita inizia a rimpicciolirsi, ci si aspetta che i buchi neri interagiscano con le stelle circostanti e le espellono dal centro della galassia. Questo spiegherebbe il grande nucleo di Abell 2261. La concentrazione fuori centro di stelle potrebbe anche essere stata causata da un evento violento come la fusione di due buchi neri supermassicci e il successivo rinculo di singoli, buco nero più grande che ne risulta.

Anche se ci sono indizi che abbia avuto luogo una fusione di buchi neri, né i dati di Chandra né quelli di Hubble hanno mostrato prove del buco nero stesso. Gultekin e la maggior parte dei suoi coautori, guidato da Sarah Burke-Spolaor della West Virginia University, aveva precedentemente usato Hubble per cercare un gruppo di stelle che avrebbe potuto essere portato via da un buco nero in ritirata. Hanno studiato tre gruppi vicino al centro della galassia, ed ha esaminato se i movimenti delle stelle in questi ammassi sono sufficientemente elevati da suggerire che contengano un buco nero di dieci miliardi di massa solare. Non è stata trovata alcuna prova chiara di un buco nero in due dei gruppi e le stelle nell'altro erano troppo deboli per produrre conclusioni utili.

Hanno anche studiato in precedenza le osservazioni di Abell 2261 con Karl G. Jansky Very Large Array della NSF. L'emissione radio rilevata vicino al centro della galassia ha mostrato prove che l'attività di un buco nero supermassiccio si era verificata lì 50 milioni di anni fa, ma non indica che il centro della galassia contenga attualmente un tale buco nero.

Si sono poi rivolti a Chandra per cercare del materiale che era stato surriscaldato e ha prodotto raggi X mentre cadeva verso il buco nero. Mentre i dati di Chandra hanno rivelato che il gas caldo più denso non era al centro della galassia, non hanno rivelato alcuna possibile firma a raggi X di un buco nero supermassiccio in crescita:nessuna sorgente di raggi X è stata trovata al centro dell'ammasso, o in uno qualsiasi dei gruppi di stelle, o nel luogo dell'emissione radio.

Gli autori hanno concluso che o non c'è nessun buco nero in nessuna di queste posizioni, o che sta tirando il materiale troppo lentamente per produrre un segnale a raggi X rilevabile.

Il mistero della posizione di questo gigantesco buco nero quindi continua. Nonostante la ricerca non abbia avuto successo, la speranza rimane per gli astronomi che cercano questo buco nero supermassiccio in futuro. Una volta lanciato, il James Webb Space Telescope potrebbe essere in grado di rivelare la presenza di un buco nero supermassiccio al centro della galassia o di uno dei gruppi di stelle. Se Webb non riesce a trovare il buco nero, quindi la migliore spiegazione è che il buco nero si sia ritirato ben fuori dal centro della galassia.

Un documento che descrive questi risultati è stato accettato per la pubblicazione su una rivista dell'American Astronomical Society, ed è anche disponibile online su arxiv.org/abs/2010.13980 .