Un nuovo studio in Physical Review Letters esplora le condizioni della formazione del buco nero da stelle morenti, in particolare il ruolo dei calci natali indotti dai neutrini nel processo di formazione.
I buchi neri sono alcuni degli oggetti più misteriosi dell'universo, con forze gravitazionali così forti che nemmeno la luce può sfuggirgli. Al momento, con le prove che abbiamo, i buchi neri sono cadaveri stellari, nel senso che nascono quando le stelle muoiono.
Tuttavia, gli esatti meccanismi della loro formazione sono ancora un mistero. Il nuovo studio affronta alcuni di questi misteri studiando processi come l'espulsione di massa stellare e l'emissione di neutrini, che svolgono un ruolo cruciale nella formazione del buco nero.
Phys.org ha parlato con il primo autore, il dottor Alejandro Vigna-Gómez, ricercatore post-dottorato presso l'Istituto Max Planck di astrofisica in Germania.
Quando gli è stato chiesto quale fosse la sua motivazione nello studio della formazione del buco nero, ha detto:"Negli ultimi dieci anni, il mio lavoro si è concentrato sull'intersezione tra la fisica delle stelle binarie e quella delle supernovae".
"Il mio interesse è cresciuto sulla scia delle recenti scoperte nell'astronomia dei buchi neri. Negli ultimi anni, mi sono reso conto che i buchi neri pesanti potrebbero offrire spunti significativi sui processi di collasso stellare che portano alla loro creazione."
Quando una stella più grande del nostro Sole raggiunge la fine della sua vita, si verifica un'esplosione estremamente luminosa e violenta chiamata esplosione di supernova. Queste esplosioni sono così luminose che possono eclissare brevemente la luminosità di un'intera galassia e rilasciare un gran numero di neutrini per lasciare dietro di sé una stella di neutroni.
La massa stellare espulsa durante l'esplosione ha una velocità di migliaia di chilometri al secondo ma non è sempre equamente distribuita. Questa asimmetria porta ad asimmetrie su larga scala nei resti dell'esplosione, che sono state osservate per le stelle di neutroni.
Questa massa espulsa asimmetrica provoca un rinculo sulla stella di neutroni chiamato calcio natale, che la fa muovere ad alta velocità attraverso la galassia. I calci natali sono stati precedentemente osservati per le stelle di neutroni ma non per i buchi neri.
I buchi neri si formano quando, invece di un'esplosione, una stella morente collassa su se stessa. Arriviamo quindi alla domanda posta dai ricercatori:i calci natali potrebbero avere un ruolo anche nella formazione dei buchi neri?
"Negli ultimi anni, diversi buchi neri binari sono stati scoperti all'interno della nostra galassia e dei suoi dintorni. Di solito vengono rilevati tramite emissione di raggi X, ma solo pochi sono stati rilevati tramite spettroscopia a linea singola [un metodo diverso] come X- binari silenziosi," ha affermato la Dott.ssa Vigna-Gómez.
Questi sistemi binari non emettono quantità significative di raggi X, il che può essere indicativo degli stadi di evoluzione delle stelle nel sistema binario.
I ricercatori hanno scelto la galassia VFTS 243 per il loro studio poiché ospita uno dei buchi neri più massicci tra questi sistemi binari.
Il sistema binario è costituito da un buco nero e una stella massiccia. I ricercatori volevano studiare le condizioni in cui si è formato il buco nero, la massa stellare perduta e i ritmi natali associati alla sua formazione.
I ricercatori si stavano basando su recenti osservazioni di stelle in via di estinzione, ovvero stelle che sono morte e sono diventate buchi neri senza un’esplosione. Inoltre, questi sistemi binari di buchi neri di massa stellare (questo è il termine ufficiale) sono inerti, il che significa che c'è poca interazione tra la stella e il buco nero dopo la formazione del buco nero.
I ricercatori hanno utilizzato un approccio semianalitico per calcolare la probabilità che un calcio natale durante la formazione del buco nero porterebbe alla configurazione osservata del sistema.
Per analizzare la formazione del sistema, i ricercatori hanno utilizzato vari vincoli come il periodo orbitale, l’eccentricità e la velocità radiale sistemica del sistema. Hanno inoltre eseguito stime sulle asimmetrie dei neutrini a lungo termine durante la formazione del buco nero (assumendo che sia avvenuta a causa di un collasso completo e non di un'esplosione).
Il Dr. Vigna-Gómez ha riassunto i risultati, dicendo:"Abbiamo scoperto che il buco nero di VFTS 243 si è formato senza un'esplosione e ha avuto un basso kick natale di neutrini, se presente. Ciò suggerisce che i neutrini sono stati emessi quasi equamente in tutte le direzioni quando il massiccio progenitore collassò in un buco nero."
Per VFTS 243, i ricercatori hanno vincolato la velocità del calcio natale a un valore inferiore o uguale a circa 10 chilometri al secondo. Hanno scoperto che lo scenario più probabile è che siano state espulse circa 0,3 masse solari, presumibilmente sotto forma di neutrini, e che il buco nero abbia subito un calcio natale di circa 4 chilometri al secondo.
Questi risultati hanno implicazioni per la formazione di altri buchi neri, suggerendo che alcuni possono formarsi tramite un collasso completo, senza esplosione.
Inoltre, l'emissione di neutrini a lungo termine è preferenzialmente sfericamente simmetrica (uguale in tutte le direzioni), il che spiega la mancanza di un forte calcio natale nel sistema binario.
La dottoressa Vigna-Gómez ha aggiunto:"Sembra che l'intuizione teorica che abbiamo costruito sui buchi neri con calci natali ridotti rispetto alle stelle di neutroni fosse giusta."
"Questa analisi mostra che VFTS 243 può essere utilizzato come sistema di riferimento per la simulazione di supernovae con collasso del nucleo, vale a dire che le simulazioni di stelle che collassano in buchi neri di circa dieci masse solari dovrebbero allinearsi con le piccole asimmetrie dei neutrini e i calci natali che abbiamo dedotto per VFTS 243."
Costruire strutture per una popolazione di buchi neri sarebbe il prossimo passo per i ricercatori nel loro tentativo di comprendere l'evoluzione delle stelle massicce.
