Un team internazionale di ricercatori, tra cui studiosi dell'Università di Bologna e dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), osservato per la prima volta l'evoluzione del gas caldo proveniente da un buco nero attivo. Sono stati in grado di guardare queste strutture, che ricordano molto i flussi di fumo prodotti dalle eruzioni vulcaniche, con dettagli senza precedenti e su una scala temporale di cento milioni di anni.

Il loro studio, pubblicato in Astronomia della natura , si è concentrato sul sistema Nest200047, un gruppo di circa 20 galassie a circa 200 milioni di anni luce di distanza. La galassia centrale di questo sistema ospita un buco nero attivo attorno al quale i ricercatori hanno osservato molte coppie di bolle di gas di diversa età, alcuni filamenti sconosciuti di campi magnetici, e particelle relativistiche nella relatività speciale grandi come centinaia di migliaia di anni luce.

Queste osservazioni sono state possibili grazie a LOFAR (LOw Frequency ARray), il più grande radiotelescopio a bassa frequenza del mondo. LOFAR è in grado di intercettare le radiazioni prodotte dagli elettroni più antichi attualmente rilevabili. Questo strumento all'avanguardia nasce dal grande sforzo di nove paesi europei e ha permesso ai ricercatori di "tornare indietro nel tempo" a più di 100 milioni di anni fa e ripercorrere l'attività del buco nero seduto al centro di Nest200047.

"La nostra indagine mostra come queste bolle di gas accelerate dal buco nero si espandano e si trasformino nel tempo. Infatti, creano spettacolari strutture a forma di fungo, anelli e filamenti simili a quelli originati da una potente eruzione vulcanica sul pianeta Terra, " afferma Marisa Brienza che è la prima autrice di questo studio e ricercatrice presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi" dell'Università di Bologna e membro dell'INAF.

Bolle fatte di particelle

Al centro di ogni galassia si trova un buco nero supermassiccio. L'attività del buco nero ha un impatto cruciale sull'evoluzione della galassia e dell'ambiente intergalattico che la ospita. Per anni i ricercatori hanno cercato di capire come e con quale velocità l'azione di questi buchi neri produce quegli effetti.

Quando attivo, i buchi neri consumano tutto ciò che li circonda e, in quel processo, rilasciano enormi quantità di energia. A volte questa energia si presenta sotto forma di flussi di particelle che si muovono vicino alla velocità della luce e producono onde radio. A sua volta, questi flussi generano bolle di particelle e campi magnetici che, da un processo di espansione, possono riscaldare e spostare il mezzo intergalattico che li circonda. Questo ha un'enorme influenza sull'evoluzione del mezzo intergalattico stesso e, come conseguenza, sui tassi di formazione stellare.

Questo studio propone che i buchi neri attivi abbiano effetti su scale che sono fino a 100 volte più grandi della galassia ospitante e che tale impatto dura fino a centinaia di milioni di anni.

"LOFAR ci ha fornito una visione unica dell'attività dei buchi neri e dei loro effetti sull'ambiente circostante, " spiega Annalisa Bonafede, uno degli autori dello studio e docente presso l'Università di Bologna nonché membro INAF. "Le nostre osservazioni di Nest200047 mostrano in modo cruciale come i campi magnetici e le particelle molto vecchie accelerate dai buchi neri e di conseguenza invecchiate svolgano un ruolo centrale nel trasferimento di energia alle regioni esterne dei gruppi di galassie".

Per questo studio, i ricercatori hanno anche sfruttato le osservazioni nella banda dei raggi X ottenute utilizzando il telescopio eROSITA a bordo dell'osservatorio spaziale SRG. I dati a raggi X hanno permesso ai ricercatori di studiare meglio le caratteristiche del mezzo intergalattico che circonda le bolle di gas che emettono radio.

Filamenti di gas

Queste osservazioni hanno portato ad altre scoperte inaspettate:sottili filamenti di gas lunghi un milione di anni luce costituiti da particelle che si muovono approssimativamente alla velocità della luce.

Secondo i ricercatori, questi filamenti sono i resti delle bolle che il buco nero Nest200047 ha prodotto centinaia di milioni di anni fa e che ora si stanno frantumando e mescolando con il mezzo intergalattico. Si ritiene che lo studio di queste strutture porterà alla scoperta di nuove e importanti informazioni sulle caratteristiche fisiche della materia intergalattica e sul meccanismo fisico che regola il trasferimento di energia tra le bolle e l'ambiente esterno.

"Nel futuro, potremo studiare con crescente dettaglio gli effetti dei buchi neri sulle galassie e sul mezzo intergalattico. Infine, potremo svelare la natura dei filamenti che abbiamo scoperto grazie alla risoluzione angolare di LOFAR combinata con i dati delle stazioni LOFAR internazionali, " aggiunge Gianfranco Brunetti, coautore di questo studio nonché astrofisico dell'INAF Bologna e coordinatore italiano del consorzio LOFAR.

Telescopi

LOFAR è gestito da ASTRON, l'Istituto olandese di radioastronomia, ed è composto da migliaia di antenne ospitate da 51 stazioni radio sparse in diversi paesi europei. LOFAR può intercettare le frequenze più basse delle onde radio sulla Terra (tra 10 e 240 mega-Hertz). L'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) è a capo del team italiano del LOFAR e contribuisce allo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi elettronici per il telescopio e del software che ne regola il funzionamento.

La navicella spaziale SRG è stata progettata dall'Associazione Lavochkin, come parte della società Roskosmos e lanciato il 13 luglio, 2019 con un lanciatore di protoni dal cosmodromo di Baikonur. L'osservatorio SRG è stato costruito con la partecipazione del Centro aerospaziale tedesco (DLR) nell'ambito del Programma spaziale federale russo su iniziativa dell'Accademia delle scienze russa rappresentata dal suo Istituto di ricerca spaziale (IKI). Il telescopio eROSITA è stato costruito sotto la guida del Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) e DLR. La navicella spaziale SRG è gestita dalla Lavochkin Association e dalle Deep Space Network Antennae a Bear Lakes, Ussurijsk, e Baykonur finanziato da Roskosmos.

Questo studio è intitolato "Un'istantanea delle più antiche fasi di feedback AGN" ed è stato pubblicato in Astronomia della natura . È il risultato di uno sforzo congiunto di esperti in radio, astronomia ottica e a raggi X presso:Università di Bologna, INAF-IRA, INAF-AVENA, INAF-IASF, ASTRON, Osservatorio di Leida, Hamburger Sternwarte, Università Federale di Kazan, Accademia delle Scienze del Tatarstan, Istituto di ricerca spaziale (IKI), Istituto Max Planck di astrofisica, Università dell'Hertfordshire, DIAS, SRON, Università di Tokyo, Osservatorio di Parigi (GEPI, USN), Università di Rodi.