Il metodo sfrutta un evento di perturbazione mareale del buco nero:un momento straordinariamente luminoso in cui un buco nero esercita maree su una stella di passaggio e la fa a brandelli. Quando la stella viene sconvolta dalle immense forze mareali del buco nero, metà della stella viene spazzata via, mentre l'altra metà viene scagliata attorno al buco nero, generando un disco di accrescimento estremamente caldo di materiale stellare rotante.

Il team guidato dal MIT ha dimostrato che l'oscillazione del disco di accrescimento appena creato è la chiave per capire la rotazione intrinseca del buco nero centrale.

In uno studio apparso su Nature , gli astronomi riferiscono di aver misurato la rotazione di un buco nero supermassiccio nelle vicinanze seguendo lo schema dei lampi di raggi X che il buco nero ha prodotto immediatamente dopo un evento di perturbazione mareale.

Il team ha seguito i lampi per diversi mesi e ha stabilito che probabilmente erano il segnale di un disco di accrescimento molto caldo che oscillava avanti e indietro mentre veniva spinto e tirato dalla rotazione del buco nero.

Tracciando come l'oscillazione del disco è cambiata nel tempo, gli scienziati hanno potuto capire quanto il disco fosse influenzato dalla rotazione del buco nero e, di conseguenza, quanto velocemente girava il buco nero stesso. La loro analisi ha mostrato che il buco nero ruotava a meno del 25% della velocità della luce, relativamente lenta, come vanno i buchi neri.

L'autore principale dello studio, il ricercatore del MIT Dheeraj "DJ" Pasham, afferma che il nuovo metodo potrebbe essere utilizzato per misurare gli spin di centinaia di buchi neri nell'universo locale nei prossimi anni. Se gli scienziati riuscissero a osservare gli spin di molti buchi neri vicini, potrebbero iniziare a capire come si sono evoluti i giganti gravitazionali nel corso della storia dell'universo.

"Studiando diversi sistemi nei prossimi anni con questo metodo, gli astronomi possono stimare la distribuzione complessiva degli spin dei buchi neri e comprendere l'annosa questione di come si evolvono nel tempo", afferma Pasham, membro del Kavli Institute for Astrofisica e Astronomia del MIT. Ricerca spaziale.

I coautori dello studio includono collaboratori di numerose istituzioni, tra cui la NASA, l'Università Masaryk nella Repubblica Ceca, l'Università di Leeds, l'Università di Syracuse, l'Università di Tel Aviv, l'Accademia polacca delle scienze e altri.

Calore triturato

Ogni buco nero ha una rotazione intrinseca che è stata modellata dai suoi incontri cosmici nel corso del tempo. Se, ad esempio, un buco nero è cresciuto principalmente attraverso l’accrescimento, ovvero brevi casi in cui del materiale cade sul disco, ciò fa sì che il buco nero ruoti a velocità piuttosto elevate. Al contrario, se un buco nero cresce principalmente fondendosi con altri buchi neri, ogni fusione potrebbe rallentare il processo poiché la rotazione di un buco nero si incontra con la rotazione dell'altro.

Quando un buco nero gira su se stesso, trascina con sé lo spazio-tempo circostante. Questo effetto di trascinamento è un esempio della precessione di Lense-Thirring, una teoria di vecchia data che descrive i modi in cui campi gravitazionali estremamente forti, come quelli generati da un buco nero, possono influenzare lo spazio e il tempo circostanti. Normalmente, questo effetto non sarebbe evidente attorno ai buchi neri, poiché gli oggetti massicci non emettono luce.

Ma negli ultimi anni, i fisici hanno proposto che, in casi come durante un evento di distruzione delle maree, o TDE, gli scienziati potrebbero avere la possibilità di seguire la luce dei detriti stellari mentre vengono trascinati in giro. Quindi, potrebbero sperare di misurare la rotazione del buco nero.

In particolare, durante un TDE, gli scienziati prevedono che una stella possa cadere su un buco nero da qualsiasi direzione, generando un disco di materiale incandescente e triturato che potrebbe essere inclinato o disallineato rispetto alla rotazione del buco nero. (Immaginate il disco di accrescimento come una ciambella inclinata che gira attorno a un foro della ciambella che ha una propria rotazione separata.)

Quando il disco incontra la rotazione del buco nero, oscilla mentre il buco nero lo allinea. Alla fine, l’oscillazione si attenua quando il disco si stabilizza nella rotazione del buco nero. Gli scienziati hanno previsto che il disco oscillante di un TDE dovrebbe quindi essere una firma misurabile della rotazione del buco nero.

"Ma la chiave era avere le giuste osservazioni", dice Pasham. "L'unico modo per farlo è che, non appena si verifica un evento di perturbazione delle maree, è necessario procurarsi un telescopio per osservare questo oggetto continuamente, per un tempo molto lungo, in modo da poter sondare tutti i tipi di scale temporali, da minuti a mesi."

Una cattura ad alta cadenza

Negli ultimi cinque anni, Pasham ha cercato eventi di perturbazione delle maree che fossero sufficientemente luminosi e abbastanza vicini da poter seguire e tracciare rapidamente i segni della precessione di Lense-Thirring. Nel febbraio del 2020, lui e i suoi colleghi hanno avuto fortuna, con il rilevamento di AT2020ocn, un lampo luminoso, proveniente da una galassia a circa un miliardo di anni luce di distanza, che è stato inizialmente individuato nella banda ottica dalla Zwicky Transient Facility.

Dai dati ottici, i flash sembravano essere i primi istanti successivi ad un TDE. Essendo luminoso e relativamente vicino, Pasham sospettava che il TDE potesse essere il candidato ideale per cercare segni di oscillazione del disco e possibilmente misurare la rotazione del buco nero al centro della galassia ospite. Ma per questo avrebbe bisogno di molti più dati.

"Avevamo bisogno di dati rapidi e ad alta cadenza", afferma Pasham. "La chiave era accorgersene in anticipo, perché questa precessione, o oscillazione, dovrebbe essere presente solo all'inizio. In seguito, il disco non oscillerebbe più."

Il team ha scoperto che il telescopio NICER della NASA è stato in grado di catturare il TDE e di tenerlo d'occhio continuamente per mesi alla volta. NICER, abbreviazione di Neutron star Interior Composition ExploreR, è un telescopio a raggi X installato sulla Stazione Spaziale Internazionale che misura la radiazione di raggi X attorno ai buchi neri e ad altri oggetti gravitazionali estremi.

Pasham e i suoi colleghi hanno esaminato le osservazioni del NICER di AT2020ocn oltre 200 giorni dopo il rilevamento iniziale dell'evento di perturbazione delle maree. Hanno scoperto che l'evento emetteva raggi X che sembravano raggiungere il picco ogni 15 giorni, per diversi cicli, prima di esaurirsi.

Hanno interpretato i picchi come momenti in cui il disco di accrescimento del TDE oscillava frontalmente, emettendo raggi X direttamente verso il telescopio NICER, prima di oscillare mentre continuava a emettere raggi X (simile a quando si agita una torcia verso e lontano da qualcuno ogni 15 giorni). ).

I ricercatori hanno preso questo modello di oscillazione e lo hanno integrato nella teoria originale della precessione di Lense-Thirring. Sulla base delle stime della massa del buco nero e di quella della stella distrutta, sono stati in grado di elaborare una stima della rotazione del buco nero, inferiore al 25% della velocità della luce.

I loro risultati segnano la prima volta che gli scienziati hanno utilizzato le osservazioni di un disco oscillante a seguito di un evento di perturbazione mareale per stimare la rotazione di un buco nero. Con la messa in funzione di nuovi telescopi come l'Osservatorio Rubin nei prossimi anni, Pasham prevede maggiori opportunità per individuare le rotazioni dei buchi neri.

"La rotazione di un buco nero supermassiccio racconta la storia di quel buco nero", dice Pasham. "Anche se una piccola frazione di quelli catturati da Rubin hanno questo tipo di segnale, ora abbiamo un modo per misurare gli spin di centinaia di TDE. Quindi potremmo fare una grande affermazione su come i buchi neri si evolvono nel corso dell'età dell'universo. "