Non possiamo vederli direttamente, ma sappiamo che sono lì. I buchi neri supermassicci (SMBH) risiedono probabilmente al centro di ogni grande galassia. La loro travolgente gravità attira il materiale verso di loro, dove si raccoglie in un disco di accrescimento, aspettando il suo turno per attraversare l'orizzonte degli eventi nell'oblio.
Ma in una galassia, l'SMBH si è soffocato con il suo pasto e lo ha sputato, mandando via il materiale ad alta velocità e sgombrando l'intero quartiere.
Sappiamo che c'è qualcosa nel cuore delle grandi galassie fin dai primi anni '60, quando gli astronomi scoprirono una sorgente radio inspiegabile al centro di una gigantesca galassia ellittica. Gli astronomi pensavano che fosse una stella, ma il suo spettro non aveva senso. E poiché era così lontano, a circa 2,4 miliardi di anni luce, significava che stava emettendo l’energia di centinaia di galassie. La velocità della luce emessa dall'oggetto variava e per descriverlo è stato creato il termine quasar (oggetto quasi stellare).
Negli anni successivi furono scoperti altri quasar e, alla fine, gli astronomi si resero conto che il gas che cadeva in un oggetto massiccio e compatto poteva creare ciò che stavano vedendo. Ulteriori studi hanno dimostrato che il gas forma un disco rotante attorno all’oggetto, chiamato disco di accrescimento. Gli astronomi hanno anche osservato stelle che si muovevano in modo strano vicino al centro delle galassie, e solo un oggetto massiccio poteva spiegare la loro velocità e il loro movimento.
Negli anni '70, gli astronomi pensavano che al centro della Via Lattea ci fosse uno di questi oggetti massicci. Nel 1974, gli astronomi la scoprirono e la battezzarono Sagitarrius A-star. Alla fine, sempre più prove hanno dimostrato che la maggior parte, se non tutte, le grandi galassie hanno degli SMBH al centro. Ora comprendiamo il legame tra il disco di accrescimento, il buco nero e i nuclei galattici attivi (AGN), che sono buchi neri che consumano attivamente materiale ed emettono grandi quantità di radiazioni.
Quindi, questa è la nostra immagine attuale degli SMBH. Sono oggetti massicci e compatti che si nascondono al centro delle galassie. Possono avere centinaia di milioni, persino miliardi, di masse solari. Gli SMBH attirano materiale verso di sé e il materiale si raccoglie in un disco di accrescimento. Il disco si riscalda ed emette radiazioni, e i campi magnetici aggrovigliati provocano la fuoriuscita di getti astrofisici dai poli.
Non tutto il materiale nel disco di accrescimento riesce a superare l’orizzonte degli eventi. Gli SMBH consumano solo una frazione del materiale del disco. Una volta raggiunto il limite di Eddington, il resto viene inviato nello spazio, trascinando con sé parte del gas nel centro galattico.
Gli astronomi hanno individuato un lontano SMBH nella galassia Markarian 817 che ha rotto questa immagine. Oltre il disco di accrescimento di un SMBH, il gas neutro e la polvere formano un toro. Nella stessa regione, nubi di gas interstellare che formano stelle risiedono appena oltre la portata gravitazionale dell’SMBH. Il lontano SMBH ha inviato così tanto materiale dal disco nello spazio ad alta velocità da eliminare tutto il gas nella regione. Quella formazione stellare soffocata nel centro galattico.
La scoperta è presentata in una nuova ricerca su The Astrophysical Journal Letters . Si intitola "Feedback feroce in uno stato oscurato, sub-Eddington, del Seyfert 1.2 Markarian 817". L'autrice principale è Miranda Zak, ricercatrice universitaria presso l'Università del Michigan.
Gli astronomi hanno già scoperto in passato SMBH che allontanano materiale dai loro centri galattici. Lo chiamano “vento del buco nero” e lo hanno rilevato attorno a dischi di accrescimento estremamente luminosi che hanno raggiunto il limite di quantità di materiale che possono accumulare. Il vento del buco nero scaglia il materiale in eccesso nello spazio.
Ma in Markarian 817 il disco non è molto luminoso. Ciò significa che non dovrebbe essere al limite di Eddington o al limite di accumulo di massa. Si tratta solo di "uno spuntino", secondo un comunicato stampa che annuncia la scoperta.
"Potresti aspettarti venti molto veloci se un ventilatore fosse acceso al massimo. Nella galassia che abbiamo studiato, chiamata Markarian 817, il ventilatore era acceso a un livello di potenza inferiore, ma venivano comunque generati venti incredibilmente energetici." ha detto la coautrice dello studio Miranda Zak.
In termini scientifici, questi venti sono chiamati deflussi ultraveloci (UFO). Gli UFO hanno velocità di molti milioni di miglia all'ora e gli astronomi li hanno trovati provenienti da dischi di accrescimento che hanno raggiunto i limiti di Eddington. Ma questo è diverso.
"Gli UFO vengono spesso rilevati al limite di Eddington o al di sopra; questo risultato segnala che l'accrescimento del buco nero ha il potenziale per modellare le galassie ospiti anche a frazioni di Eddington modeste", scrivono gli autori nella loro ricerca.
L’accrescimento del buco nero e gli UFO risultanti possono estinguere la formazione stellare vicino al centro galattico soffiando via tutto il gas. Il potente vento porta via anche il carburante dell'SMBH e, senza nuovo gas per alimentare il suo disco di accrescimento, emette molta meno luce.
"È molto raro osservare venti ultraveloci e ancor meno comune rilevare venti che abbiano abbastanza energia da alterare il carattere della galassia che li ospita. Il fatto che Markarian 817 abbia prodotto questi venti per circa un anno pur non trovandosi in una zona particolarmente attiva Lo stato suggerisce che i buchi neri potrebbero rimodellare le galassie che li ospitano molto più di quanto si pensasse in precedenza," ha aggiunto il coautore Elias Kammoun, astronomo dell'Università Roma Tre in Italia.
Numerosi telescopi e osservatori hanno contribuito a questa scoperta. Quando il materiale in un disco di accrescimento si riscalda, emette raggi X. Tuttavia, quando i ricercatori hanno osservato Markarian 817 con l’osservatorio Swift della NASA, i raggi X erano quasi impercettibili. "Il segnale dei raggi X era così debole che ero convinto di fare qualcosa di sbagliato!" ha esclamato l'autrice principale Miranda Zak.
Ma Swift non è il nostro miglior osservatorio a raggi X. Quindi gli astronomi si sono rivolti all'osservatorio a raggi X XMM-Newton dell'ESA. Tali osservazioni hanno mostrato che l'UFO di Markarian 817 stava bloccando i raggi X provenienti dalla corona dell'SMBH, nelle immediate vicinanze del buco. Un altro osservatorio a raggi X, il telescopio NuSTAR della NASA, ha confermato quelle osservazioni:i raggi X erano lì, appena oscurati.
L'UFO di Markarian 817 è durato solo circa un anno. Ma durante quel periodo rimodellò il centro della galassia. Questo studio mostra in modo chiaro e dettagliato come i buchi neri e le galassie che li ospitano si modellano a vicenda e hanno potenti effetti sulla reciproca evoluzione.
Lo studio fa luce anche sul motivo per cui alcuni centri galattici, inclusa la Via Lattea, non mostrano una formazione stellare molto attiva. Gli SMBH nei loro centri hanno spazzato via il gas di formazione stellare. Ma questo può accadere solo se l'UFO è abbastanza potente e abbastanza duraturo.
L’accrescimento e il feedback di SMBH, e il modo in cui modella la galassia che lo ospita, è qualcosa su cui gli astrofisici sono ansiosi di saperne di più. In questo caso, l'XMM-Newton dell'ESA ha svolto un ruolo fondamentale nel determinare cosa stava succedendo in Markarian 817.
Norbert Schartel è uno scienziato di progetto per XMM-Newton. Sebbene non faccia direttamente parte di questa ricerca, Schartel ha parlato di quanto sia importante XMM-Newton per decifrare cosa succede vicino agli SMBH.
"Molti problemi irrisolti nello studio dei buchi neri derivano dal raggiungimento di rilevamenti attraverso lunghe osservazioni che si estendono per molte ore per catturare eventi importanti. Ciò evidenzia l'importanza primaria della missione XMM-Newton per il futuro. Nessun'altra missione può fornire lo stesso combinazione della sua elevata sensibilità e della sua capacità di effettuare osservazioni lunghe e ininterrotte", ha affermato Schartel.
Ulteriori informazioni: Miranda K. Zak et al, Fierce Feedback in an Obscured, Sub-Eddington State of the Seyfert 1.2 Markarian 817, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad1407
Informazioni sul giornale: Lettere del diario astrofisico
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