Quando gli astronomi usano i radiotelescopi per guardare nel cielo notturno, in genere vedono galassie di forma ellittica, con getti gemelli che esplodono da entrambi i lati del loro buco nero supermassiccio centrale. Ma ogni tanto, meno del 10% delle volte, gli astronomi potrebbero individuare qualcosa di speciale e raro:una radiogalassia a forma di X, con quattro getti che si estendono lontano nello spazio.

Sebbene queste misteriose radiogalassie a forma di X abbiano confuso gli astrofisici per due decenni, un nuovo studio della Northwestern University fornisce nuove informazioni su come si formano, ed è sorprendentemente semplice. Lo studio ha anche scoperto che le radiogalassie a forma di X potrebbero essere più comuni di quanto si pensasse in precedenza.

Lo studio sarà pubblicato il 29 agosto su The Astrophysical Journal Letters . Segna la prima simulazione di accrescimento di galassie su larga scala che traccia il gas galattico lontano dal buco nero supermassiccio fino ad esso.

Condizioni semplici portano a risultati disordinati

Utilizzando nuove simulazioni, gli astrofisici nord-occidentali hanno implementato condizioni semplici per modellare l'alimentazione di un buco nero supermassiccio e la formazione organica dei suoi getti e del disco di accrescimento. Quando i ricercatori hanno eseguito la simulazione, le semplici condizioni organicamente e inaspettatamente hanno portato alla formazione di una radiogalassia a forma di X.

Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che la caratteristica forma a X della galassia è il risultato dell'interazione tra i getti e il gas che cade nel buco nero. All'inizio della simulazione, il gas che cadeva ha deviato i getti appena formati, che si sono accesi e spenti, oscillato in modo irregolare e gonfiato coppie di cavità in direzioni diverse per assomigliare a una forma a X. Alla fine, tuttavia, i getti sono diventati abbastanza forti da spingere il gas. A questo punto i getti si sono stabilizzati, hanno smesso di oscillare e si sono propagati lungo un asse.

"Abbiamo scoperto che anche con semplici condizioni iniziali simmetriche, è possibile ottenere un risultato piuttosto disordinato", ha affermato Aretaios Lalakos della Northwestern, che ha guidato lo studio. "Una spiegazione popolare delle radiogalassie a forma di X è che due galassie si scontrano, provocando la fusione dei loro buchi neri supermassicci, che cambia la rotazione del buco nero residuo e la direzione del getto. Un'altra idea è che la forma del getto sia alterata quando interagisce con un gas su larga scala che avvolge un buco nero supermassiccio isolato. Ora abbiamo rivelato, per la prima volta, che le radiogalassie a forma di X possono, infatti, formarsi in un modo molto più semplice."

Lalakos è uno studente laureato al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e membro del Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). È co-consulente dal coautore del paper Sasha Tchekhovskoy, assistente professore di fisica e astronomia alla Northwestern e membro chiave del CIERA, e Ore Gottlieb, un borsista post-dottorato del CIERA.

Una forma a X accidentale

Sebbene le radiogalassie emettano luce visibile, comprendono anche vaste regioni di emissione radio. Forse la radiogalassia più famosa è M87, una delle galassie più massicce dell'universo, che è stata ulteriormente resa popolare nel 2019 quando l'Event Horizon Telescope ha ripreso il suo buco nero supermassiccio centrale. Coniate per la prima volta nel 1992, le radiogalassie a forma di X costituiscono meno del 10% di tutte le radiogalassie.

Quando Lalakos ha deciso di modellare un buco nero, non si aspettava di simulare una galassia a forma di X. Invece, mirava a misurare la quantità di massa consumata da un buco nero. Ha inserito semplici condizioni astronomiche nella simulazione e l'ha fatta funzionare. Lalakos inizialmente non riconobbe l'importanza dell'emergente forma a X, ma Tchekhovskoy reagì con fervore entusiasta.

"Ha detto, 'Amico, questo è molto importante! Questa è una forma a X!'", Ha detto Lalakos. "Mi ha detto che gli astronomi l'hanno osservato nella vita reale e non sapevano come si sono formati. L'abbiamo creato in un modo che nessuno aveva mai ipotizzato prima."

In precedenti simulazioni, altri astrofisici hanno tentato di creare artificialmente strutture a forma di X per studiare come si presentano. Ma la simulazione di Lalakos ha portato organicamente alla forma a X.

"Nella mia simulazione, ho cercato di non presumere nulla", ha detto Lalakos. "Di solito, i ricercatori mettono un buco nero nel mezzo di una griglia di simulazione e ci posizionano attorno un grande disco gassoso già formato, quindi possono aggiungere gas ambiente all'esterno del disco. In questo studio, la simulazione inizia senza un disco, ma presto si forma quando il gas rotante si avvicina al buco nero. Questo disco poi alimenta il buco nero e crea dei getti. Ho fatto le ipotesi più semplici possibili, quindi l'intero risultato è stato una sorpresa. Questa è la prima volta che qualcuno vede X -morfologia a forma di simulazioni da condizioni iniziali molto semplici."

"Non abbastanza fortunato da vederli"

Poiché la forma a X è emersa solo all'inizio della simulazione, fino a quando i getti non si sono rafforzati e stabilizzati, Lalakos ritiene che le radiogalassie a forma di X potrebbero apparire più frequentemente, ma durare un tempo molto breve nell'universo di quanto si pensasse in precedenza.

"Potrebbero sorgere ogni volta che il buco nero riceve nuovo gas e ricomincia a mangiare", ha detto. "Quindi potrebbero accadere di frequente, ma potremmo non essere abbastanza fortunati da vederli perché accadono solo finché la potenza del getto è troppo debole per spingere via il gas."

Successivamente, Lalakos prevede di continuare a eseguire simulazioni per capire meglio come nascono queste forme a X. Non vede l'ora di sperimentare le dimensioni dei dischi di accrescimento e le rotazioni dei buchi neri centrali. In altre simulazioni, Lalakos includeva dischi di accrescimento che erano quasi inesistenti fino a estremamente grandi, nessuno dei quali portava all'inafferrabile forma a X.

"Per la maggior parte dell'universo, è impossibile ingrandire proprio al centro e vedere cosa sta succedendo molto vicino a un buco nero", ha detto Lalakos. "E anche le cose che possiamo osservare, siamo vincolati dal tempo. Se il buco nero supermassiccio è già formato, non possiamo osservarne l'evoluzione perché la vita umana è troppo breve. Nella maggior parte dei casi, ci affidiamo alle simulazioni per capire cosa succede vicino a un buco nero."

Lo studio è intitolato "Bridging the Bondi and Event Horizon Scales:le simulazioni 3D GRMHD rivelano la morfologia della radiogalassia a forma di X". + Esplora ulteriormente

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