La ricerca che combina osservazioni sistematiche con simulazioni cosmologiche ha scoperto che, sorprendentemente, i buchi neri possono aiutare alcune galassie a formare nuove stelle. Su scale di galassie, il ruolo dei buchi neri supermassicci per la formazione stellare era stato precedentemente visto come distruttivo:i buchi neri attivi possono privare le galassie del gas di cui le galassie hanno bisogno per formare nuove stelle. I nuovi risultati, pubblicato sulla rivista Natura , mostrare situazioni in cui i buchi neri attivi possono, Invece, "liberare la strada" per le galassie che orbitano all'interno di gruppi o ammassi di galassie, impedendo a quelle galassie di avere la loro formazione stellare interrotta mentre volano attraverso il gas intergalattico circostante.

Si pensa principalmente che i buchi neri attivi abbiano un'influenza distruttiva sull'ambiente circostante. Mentre fanno esplodere energia nella loro galassia ospite, si riscaldano ed espellono il gas di quella galassia, rendendo più difficile per la galassia la produzione di nuove stelle. Ma ora, i ricercatori hanno scoperto che la stessa attività può effettivamente aiutare con la formazione stellare, almeno per le galassie satellite che orbitano attorno alla galassia ospite.

Il risultato controintuitivo è scaturito da una collaborazione innescata da una conversazione all'ora di pranzo tra astronomi specializzati in simulazioni al computer su larga scala e osservatori. Come tale, è un buon esempio per il tipo di interazione informale che è diventata più difficile in condizioni di pandemia.

Le osservazioni astronomiche che includono l'acquisizione dello spettro di una galassia lontana, la separazione simile a un arcobaleno della luce di una galassia in diverse lunghezze d'onda, consentono misurazioni abbastanza dirette della velocità con cui quella galassia sta formando nuove stelle.

Seguendo tali misurazioni, alcune galassie stanno formando stelle a velocità piuttosto basse. Nella nostra galassia della Via Lattea, nascono solo una o due nuove stelle ogni anno. Altri subiscono brevi esplosioni di eccessiva attività di formazione stellare, chiamato "esplosioni di stelle", con centinaia di stelle nate all'anno. In ancora altre galassie, la formazione stellare sembra essere soppressa, o "spenta, " come dicono gli astronomi:tali galassie hanno praticamente smesso di formare nuove stelle.

Un tipo speciale di galassia, i cui esemplari sono spesso, quasi la metà delle volte, trovati in uno stato così spento, sono le cosiddette galassie satellite. Questi fanno parte di un gruppo o ammasso di galassie, la loro massa è relativamente bassa, e orbitano attorno a una galassia centrale molto più massiccia simile al modo in cui i satelliti orbitano attorno alla Terra.

Tali galassie tipicamente formano pochissime nuove stelle, se non del tutto, e dagli anni '70, gli astronomi hanno sospettato che la colpa potesse essere qualcosa di molto simile al vento contrario:gruppi e ammassi di galassie non contengono solo galassie, ma anche gas sottile piuttosto caldo che riempie lo spazio intergalattico.

Mentre una galassia satellite orbita attraverso l'ammasso a una velocità di centinaia di chilometri al secondo, il gas sottile farebbe sentire lo stesso tipo di "vento contrario" che qualcuno in sella a una bici veloce, o moto, sentirò. Le stelle della galassia satellite sono troppo compatte per essere influenzate dal flusso costante di gas intergalattico in arrivo.

Ma il gas della galassia satellite non lo è:verrebbe strappato via dal gas caldo in arrivo in un processo noto come "rimozione della pressione del pistone". D'altra parte, una galassia in rapido movimento non ha alcuna possibilità di attirare una quantità sufficiente di gas intergalattico, per ricostituire il proprio serbatoio di gas. Il risultato è che tali galassie satellitari perdono quasi completamente il loro gas, e con esso la materia prima necessaria per la formazione stellare. Di conseguenza, l'attività di formazione stellare sarebbe estinta.

I processi in questione si svolgono nel corso di milioni o addirittura miliardi di anni, quindi non possiamo guardarli accadere direttamente. Ma anche così, ci sono modi per gli astronomi di saperne di più. Possono utilizzare simulazioni al computer di universi virtuali, programmato in modo da seguire le leggi della fisica rilevanti e confrontare i risultati con ciò che effettivamente osserviamo. E possono cercare indizi rivelatori nella "istantanea" completa dell'evoluzione cosmica fornita dalle osservazioni astronomiche.

Annalisa Pillepich, un leader del gruppo presso il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), è specializzato in simulazioni di questo tipo. La suite di simulazioni IllustrisTNG, che Pillepich ha co-diretto, fornisce gli universi virtuali più dettagliati fino ad oggi, universi in cui i ricercatori possono seguire il movimento del gas su scale relativamente piccole.

IllustrisTNG fornisce alcuni esempi estremi di galassie satellite che sono state appena spogliate dalla pressione del pistone:le cosiddette "galassie meduse, " che stanno trascinando i resti del loro gas come le meduse stanno trascinando i loro tentacoli. Infatti, identificare tutte le meduse nelle simulazioni è un progetto di scienza dei cittadini lanciato di recente sulla piattaforma Zooniverse, dove i volontari possono aiutare con la ricerca in quel tipo di galassia appena spenta.

Ma, mentre le galassie meduse sono rilevanti, non sono dove è iniziato il presente progetto di ricerca. A pranzo a novembre 2019, Pillepich ha raccontato a Ignacio Martín-Navarro uno dei suoi risultati IllustrisTNG, un astronomo specializzato in osservazioni, che era all'MPIA con una borsa di studio Marie Curie. Un risultato sull'influenza dei buchi neri supermassicci che hanno raggiunto oltre la galassia ospite, nello spazio intergalattico.

Questi buchi neri supermassicci si trovano al centro di tutte le galassie. La materia che cade su un tale buco nero diventa tipicamente parte di un cosiddetto disco di accrescimento rotante che circonda il buco nero, prima di cadere nel buco nero stesso. Questa caduta sul disco di accrescimento libera un'enorme quantità di energia sotto forma di radiazione, e spesso anche sotto forma di due getti di particelle in rapido movimento, che accelerano allontanandosi dal buco nero perpendicolarmente al disco di accrescimento. Un buco nero supermassiccio che emette energia in questo modo è chiamato nucleo galattico attivo, AGN in breve.

Sebbene IllustrisTNG non sia abbastanza dettagliato da includere getti di buchi neri, contiene termini fisici che simulano come un AGN aggiunge energia al gas circostante. E come ha mostrato la simulazione, che l'iniezione di energia porterà a deflussi di gas, che a loro volta si orienteranno lungo un percorso di minor resistenza:nel caso di galassie a disco simili alla nostra Via Lattea, perpendicolare al disco stellare; per le cosiddette galassie ellittiche, perpendicolare ad un opportuno piano preferito definito dalla disposizione delle stelle della galassia.

Col tempo, le uscite di gas bipolari, perpendicolare al disco o piano preferito, arriverà al punto di influenzare l'ambiente intergalattico, il gas sottile che circonda la galassia. Allontaneranno il gas intergalattico, ogni deflusso creando una gigantesca bolla. Fu questo resoconto che fece pensare Pillepich e Martín-Navarro:se una galassia satellite dovesse passare attraverso quella bolla, sarebbe influenzata dal deflusso, e la sua attività di formazione stellare si sarebbe ulteriormente estinta?

Martín-Navarro ha ripreso questa questione nel suo ambito. Ha avuto una vasta esperienza nel lavoro con i dati di una delle più grandi indagini sistematiche fino ad oggi:la Sloan Digital Sky Survey (SDSS), che fornisce immagini di alta qualità di gran parte dell'emisfero settentrionale. Nei dati pubblicamente disponibili dal decimo dato di quel sondaggio, ha esaminato 30, 000 gruppi di galassie e ammassi, ciascuno contenente una galassia centrale e in media 4 galassie satellite.

In un'analisi statistica di quelle migliaia di sistemi, ha trovato un piccolo ma marcata differenza tra le galassie satellite che erano vicine al piano preferito della galassia centrale e i satelliti che erano nettamente sopra e sotto. Ma la differenza era nella direzione opposta che i ricercatori si aspettavano:satelliti sopra e sotto l'aereo, dentro le bolle più sottili, erano in media non più probabili, ma circa il 5% in meno di probabilità di aver estinto la loro attività di formazione stellare.

Con quel sorprendente risultato, Martín-Navarro è tornato da Annalisa Pillepich, ei due hanno eseguito lo stesso tipo di analisi statistica nell'universo virtuale delle simulazioni IllustrisTNG. In simulazioni del genere, Dopotutto, l'evoluzione cosmica non è messa "a mano" dai ricercatori. Anziché, il software include regole che modellano le regole della fisica per quell'universo virtuale nel modo più naturale possibile, e che includono anche opportune condizioni iniziali che corrispondono allo stato del nostro universo poco dopo il Big Bang.

Ecco perché simulazioni come quella lasciano spazio all'imprevisto:in questo caso particolare, per riscoprire l'aereo, distribuzione fuori piano delle galassie satellitari spente:l'universo virtuale ha mostrato la stessa deviazione del 5% per l'estinzione delle galassie satellitari! Chiaramente, i ricercatori erano su qualcosa.

In tempo, Pillepich, Martín-Navarro e i loro colleghi hanno formulato un'ipotesi per il meccanismo fisico alla base della variazione di spegnimento. Considera una galassia satellite che viaggia attraverso una delle bolle assottigliate che il buco nero centrale ha soffiato nel mezzo intergalattico circostante. A causa della minore densità, quella galassia satellite ha meno vento contrario, meno pressione del pistone, ed è quindi meno probabile che il suo gas venga rimosso.

Quindi, dipende dalle statistiche. Per le galassie satellite che hanno già orbitato diverse volte intorno alle stesse galassie centrali, attraversando le bolle ma anche le regioni a maggiore densità in mezzo, l'effetto non sarà evidente. Tali galassie avranno perso il loro gas molto tempo fa.

Ma per le galassie satellite che si sono unite al gruppo, o grappolo, piuttosto di recente, la posizione farà la differenza:se quei satelliti dovessero atterrare prima in una bolla, hanno meno probabilità di perdere il gas se capita di atterrare fuori da una bolla. Questo effetto potrebbe spiegare la differenza statistica per le galassie satellite spente.

Con l'ottimo accordo tra le analisi statistiche sia delle osservazioni SDSS che delle simulazioni IllustrisTNG, e con un'ipotesi plausibile per un meccanismo, questo è un risultato molto promettente. Nel contesto dell'evoluzione delle galassie, è particolarmente interessante perché conferma, indirettamente, il ruolo dei nuclei galattici attivi non solo per il riscaldamento del gas intergalattico, ma attivamente "spingendolo via", per creare regioni a bassa densità. E come per tutti i risultati promettenti, ora ci sono una serie di direzioni naturali che Martín-Navarro, Pillepich e i loro colleghi o altri scienziati possono prendere per esplorare ulteriormente.