Nel cuore di una galassia lontana, un buco nero supermassiccio sembra aver avuto un problema. Gli astronomi del MIT, dell'Italia, della Repubblica Ceca e di altri paesi hanno scoperto che un buco nero precedentemente silenzioso, che si trova al centro di una galassia a circa 800 milioni di anni luce di distanza, è improvvisamente eruttato, emettendo pennacchi di gas ogni 8,5 giorni prima di stabilizzarsi. torna al suo stato normale e tranquillo.
I singhiozzi periodici sono un comportamento nuovo che finora non era stato osservato nei buchi neri. Gli scienziati ritengono che la spiegazione più probabile per le esplosioni derivi da un secondo buco nero più piccolo che ronza attorno al buco nero supermassiccio centrale e lancia materiale fuori dal disco di gas del buco nero più grande ogni 8,5 giorni.
I risultati del team sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances , sfidano l’immagine convenzionale dei dischi di accrescimento del buco nero, che gli scienziati avevano ipotizzato fossero dischi di gas relativamente uniformi che ruotano attorno a un buco nero centrale. I nuovi risultati suggeriscono che i dischi di accrescimento potrebbero essere più vari nei loro contenuti, possibilmente contenenti altri buchi neri e persino intere stelle.
"Pensavamo di sapere molto sui buchi neri, ma questo ci dice che ci sono molte più cose che possono fare", afferma l'autore dello studio Dheeraj "DJ" Pasham, ricercatore presso il Kavli Institute for Astrophysicals and Space Research del MIT. "Pensiamo che ci saranno molti altri sistemi come questo, e dobbiamo solo raccogliere più dati per trovarli."
I coautori dello studio del MIT includono il postdoc Peter Kosec, la studentessa laureata Megan Masterson, la professoressa associata Erin Kara, il ricercatore principale Ronald Remillard e l'ex ricercatore Michael Fausnaugh, insieme a collaboratori di diverse istituzioni, tra cui l'Università Tor Vergata di Roma, il Istituto Astronomico dell'Accademia Ceca delle Scienze e Università Masaryk nella Repubblica Ceca.
Le scoperte del team sono il risultato di un rilevamento automatizzato da parte di ASAS-SN (All Sky Automated Survey for SuperNovae), una rete di 20 telescopi robotici situati in varie località negli emisferi settentrionale e meridionale. I telescopi sorvegliano automaticamente l'intero cielo una volta al giorno alla ricerca di segni di supernovae e altri fenomeni transitori.
Nel dicembre del 2020, l’indagine ha individuato un’esplosione di luce in una galassia a circa 800 milioni di anni luce di distanza. Quella particolare parte del cielo era stata relativamente tranquilla e buia fino al rilevamento dei telescopi, quando la galassia si è improvvisamente illuminata di un fattore 1.000.
Pasham, che ha visto il rilevamento segnalato in un avviso comunitario, ha scelto di concentrarsi sul bagliore con il NICER (the Neutron star Interior Composition Explorer) della NASA, un telescopio a raggi X a bordo della Stazione Spaziale Internazionale che monitora continuamente il cielo per X -lampi di raggi che potrebbero segnalare l'attività di stelle di neutroni, buchi neri e altri fenomeni gravitazionali estremi. Il momento è stato fortuito, poiché si stava avvicinando la fine del periodo di un anno durante il quale Pasham aveva il permesso di puntare o "attivare" il telescopio.
"Si trattava di usarlo o perderlo, e si è rivelata la mia occasione più fortunata", afferma.
Ha addestrato NICER ad osservare la galassia lontana mentre continuava a brillare. Lo sfogo durò circa quattro mesi prima di esaurirsi. Durante quel periodo, NICER ha effettuato misurazioni delle emissioni di raggi X della galassia su base giornaliera e ad alta cadenza. Quando Pasham guardò attentamente i dati, notò uno schema curioso all'interno del brillamento di quattro mesi:sottili cali, in una banda molto stretta di raggi X, che sembravano riapparire ogni 8,5 giorni.
Sembrava che l'esplosione di energia della galassia diminuisse periodicamente ogni 8,5 giorni. Il segnale è simile a quello che gli astronomi vedono quando un pianeta in orbita passa davanti alla sua stella ospite, bloccando brevemente la luce della stella. Ma nessuna stella sarebbe in grado di bloccare il bagliore di un'intera galassia.
"Mi stavo chiedendo cosa significhi, perché questo schema non si adatta a nulla di ciò che sappiamo su questi sistemi", ricorda Pasham.
Mentre cercava una spiegazione ai cali periodici, Pasham si è imbattuto in un recente articolo di fisici teorici della Repubblica Ceca. I teorici avevano calcolato separatamente che sarebbe possibile, in teoria, che il buco nero supermassiccio centrale di una galassia ospiti un secondo buco nero, molto più piccolo. Quel buco nero più piccolo potrebbe orbitare ad angolo rispetto al disco di accrescimento del suo compagno più grande.
Come proposto dai teorici, il secondario perfora periodicamente il disco del buco nero primario mentre orbita. Nel processo, rilascerebbe un pennacchio di gas, come un’ape che vola attraverso una nuvola di polline. Potenti campi magnetici, a nord e a sud del buco nero, potrebbero quindi scagliare il pennacchio verso l'alto e fuori dal disco.
Ogni volta che il buco nero più piccolo attraversa il disco, espelle un altro pennacchio, secondo uno schema regolare e periodico. Se quel pennacchio puntasse nella direzione di un telescopio osservatore, potrebbe osservare il pennacchio come un calo nell'energia complessiva della galassia, bloccando brevemente di tanto in tanto la luce del disco.
"Ero davvero entusiasta di questa teoria e ho immediatamente inviato loro un'e-mail per dire:'Penso che stiamo osservando esattamente ciò che prevedeva la tua teoria'", afferma Pasham.
Lui e gli scienziati cechi hanno collaborato per testare l'idea, con simulazioni che incorporavano le osservazioni di NICER dell'esplosione originale e i cali regolari di 8,5 giorni. Ciò che hanno scoperto supporta la teoria:l'esplosione osservata era probabilmente il segnale di un secondo buco nero più piccolo, in orbita attorno a un buco nero supermassiccio centrale e che periodicamente forava il suo disco.
Nello specifico, il team ha scoperto che la galassia era relativamente tranquilla prima del rilevamento del dicembre 2020. Il team stima che il buco nero supermassiccio centrale della galassia abbia una massa pari a 50 milioni di soli. Prima dell'esplosione, il buco nero potrebbe aver avuto un debole e diffuso disco di accrescimento che ruotava attorno a sé, mentre un secondo buco nero più piccolo, che misurava da 100 a 10.000 masse solari, stava orbitando in relativa oscurità.
I ricercatori sospettano che, nel dicembre 2020, un terzo oggetto, probabilmente una stella vicina, si sia avvicinato troppo al sistema e sia stato fatto a pezzi dall’immensa gravità del buco nero supermassiccio, un evento che gli astronomi conoscono come “evento di perturbazione mareale”.
L’improvviso afflusso di materiale stellare illuminò momentaneamente il disco di accrescimento del buco nero mentre i detriti della stella turbinavano nel buco nero. Per quattro mesi, il buco nero ha banchettato con i detriti stellari mentre il secondo buco nero continuava a orbitare. Quando ha perforato il disco, ha espulso un pennacchio molto più grande del normale, che è stato espulso direttamente verso il mirino di NICER.
Il team ha effettuato numerose simulazioni per testare i cali periodici. La spiegazione più probabile, concludono, è un nuovo tipo di sistema Davide e Golia:un minuscolo buco nero di massa intermedia, che sfreccia attorno a un buco nero supermassiccio.
"Questa è una bestia diversa", dice Pasham. "Ciò non corrisponde a nulla di ciò che sappiamo su questi sistemi. Stiamo osservando prove di oggetti che entrano ed attraversano il disco, da diverse angolazioni, il che sfida l'immagine tradizionale di un semplice disco gassoso attorno ai buchi neri. Pensiamo che ci sia esiste un'enorme popolazione di questi sistemi."
"Questo è un brillante esempio di come utilizzare i detriti di una stella perturbata per illuminare l'interno di un nucleo galattico che altrimenti rimarrebbe buio. È come usare una tintura fluorescente per trovare una perdita in un tubo", afferma Richard Saxton, un astronomo di raggi X del Centro europeo di astronomia spaziale (ESAC) di Madrid, Spagna, che non è stato coinvolto nello studio.
"Questo risultato mostra che sistemi binari di buchi neri supermassicci molto vicini potrebbero essere comuni nei nuclei galattici, il che rappresenta uno sviluppo molto entusiasmante per i futuri rilevatori di onde gravitazionali."
Ulteriori informazioni: Dheeraj Pasham, Il caso di un sistema binario di buco nero rivelato attraverso deflussi quasi periodici, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj8898. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj8898. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2402.10140
Informazioni sul giornale: La scienza avanza , arXiv
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
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