Utilizzando i dati d'archivio del telescopio Gemini North, un team di astronomi ha misurato la coppia di buchi neri supermassicci più pesante mai trovata. La fusione di due buchi neri supermassicci è un fenomeno da tempo previsto, anche se mai osservato. Questa enorme coppia fornisce indizi sul motivo per cui un simile evento sembra così improbabile nell'universo.
Quasi ogni galassia massiccia ospita un buco nero supermassiccio al proprio centro. Quando due galassie si fondono, i loro buchi neri possono formare una coppia binaria, il che significa che sono in orbita legata l’una con l’altra. Si ipotizza che questi sistemi binari siano destinati a fondersi, ma ciò non è mai stato osservato. La questione se un simile evento sia possibile è da decenni argomento di discussione tra gli astronomi.
In un articolo recentemente pubblicato su The Astrophysical Journal , un team di astronomi ha presentato nuove informazioni su questa questione.
Il team ha utilizzato i dati del telescopio Gemini North alle Hawaii, metà dell'Osservatorio Internazionale Gemini gestito dal NOIRLab della NSF, per analizzare un sistema binario di buchi neri supermassicci situato all'interno della galassia ellittica B2 0402+379. Questo è l’unico sistema binario di buchi neri supermassicci mai risolto in modo sufficientemente dettagliato da poter vedere entrambi gli oggetti separatamente, e detiene il record per avere la separazione più piccola mai misurata direttamente:appena 24 anni luce. Sebbene questa ravvicinata separazione preannuncia una potente fusione, ulteriori studi hanno rivelato che la coppia è rimasta bloccata a questa distanza per oltre tre miliardi di anni, sollevando la domanda:qual è il problema?
Per comprendere meglio le dinamiche di questo sistema e la sua fusione interrotta, il team ha esaminato i dati d'archivio del Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) di Gemini North, che ha permesso loro di determinare la velocità delle stelle in prossimità dei buchi neri. /P>
"L'eccellente sensibilità del GMOS ci ha permesso di mappare le velocità crescenti delle stelle man mano che ci si avvicina al centro della galassia", ha affermato Roger Romani, professore di fisica dell'Università di Stanford e coautore dell'articolo. "Con ciò, siamo stati in grado di dedurre la massa totale dei buchi neri che risiedono lì."
Il team stima che la massa del sistema binario sia ben 28 miliardi di volte quella del Sole, qualificando la coppia come il buco nero binario più pesante mai misurato. Questa misurazione non solo fornisce un contesto prezioso alla formazione del sistema binario e alla storia della galassia che lo ospita, ma supporta la teoria di lunga data secondo cui la massa di un buco nero binario supermassiccio svolge un ruolo chiave nello stallo di una potenziale fusione.
"L'archivio dati al servizio dell'Osservatorio Internazionale Gemini contiene una miniera d'oro di scoperte scientifiche non ancora sfruttate", afferma Martin Still, direttore del programma NSF per l'Osservatorio Internazionale Gemini. "Le misurazioni della massa di questo buco nero binario supermassiccio estremo sono un esempio impressionante del potenziale impatto di una nuova ricerca che esplora quel ricco archivio."
Comprendere come si è formato questo sistema binario può aiutare a prevedere se e quando si fonderà, e una manciata di indizi indicano che la coppia si forma attraverso fusioni multiple di galassie. Il primo è che B2 0402+379 è un “ammasso fossile”, il che significa che è il risultato della fusione di stelle e gas di un intero ammasso di galassie in un’unica galassia massiccia. Inoltre, la presenza di due buchi neri supermassicci, unita alla loro grande massa combinata, suggerisce che siano il risultato della fusione di più buchi neri più piccoli provenienti da più galassie.
A seguito di una fusione galattica, i buchi neri supermassicci non si scontrano frontalmente. Invece, iniziano a lanciarsi l'uno accanto all'altro mentre si stabiliscono in un'orbita delimitata. Ad ogni passaggio effettuato, l'energia viene trasferita dai buchi neri alle stelle circostanti. Man mano che perdono energia, la coppia viene trascinata sempre più vicino fino a quando non si trovano a soli anni luce di distanza, dove la radiazione gravitazionale prende il sopravvento e si fondono. Questo processo è stato osservato direttamente in coppie di buchi neri di massa stellare (il primo caso mai registrato è stato nel 2015 tramite il rilevamento di onde gravitazionali), ma mai in un sistema binario di tipo supermassiccio.
Con le nuove conoscenze sulla massa estremamente grande del sistema, il team ha concluso che sarebbe stato necessario un numero eccezionalmente elevato di stelle per rallentare l'orbita del sistema binario abbastanza da portarle così vicine. Nel processo, i buchi neri sembrano aver espulso quasi tutta la materia nelle loro vicinanze, lasciando il nucleo della galassia affamato di stelle e gas. Senza più materiale disponibile per rallentare ulteriormente l'orbita della coppia, la loro fusione è giunta alle fasi finali.
"Normalmente sembra che le galassie con coppie di buchi neri più leggeri abbiano abbastanza stelle e massa per farli avvicinare rapidamente", ha detto Romani. "Dato che questa coppia è così pesante, ha richiesto molte stelle e gas per portare a termine il lavoro. Ma il sistema binario ha ripulito la galassia centrale da tale materia, lasciandola bloccata e accessibile per il nostro studio."
Se la coppia supererà la stagnazione e alla fine si fonderà su scale temporali di milioni di anni, o continuerà per sempre nel limbo orbitale, è ancora da determinare. Se si fondessero, le onde gravitazionali risultanti sarebbero cento milioni di volte più potenti di quelle prodotte dalle fusioni di buchi neri di massa stellare.
È possibile che la coppia possa conquistare quella distanza finale attraverso un’altra fusione galattica, che inietterebbe nel sistema materiale aggiuntivo, o potenzialmente un terzo buco nero, per rallentare l’orbita della coppia abbastanza da fondersi. Tuttavia, dato lo status di B2 0402+379 come ammasso fossile, un'altra fusione galattica è improbabile.
"Non vediamo l'ora di proseguire le indagini sul nucleo di B2 0402+379 in cui esamineremo la quantità di gas presente", afferma Tirth Surti, studente universitario di Stanford e autore principale dell'articolo. "Questo dovrebbe darci maggiori informazioni sulla possibilità che i buchi neri supermassicci possano eventualmente fondersi o se rimarranno bloccati come un sistema binario."
Ulteriori informazioni: Tirth Surti et al, La cinematica centrale e la massa del buco nero di 4C+37.11, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad14fa
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