I nuclei galattici pullulano di buchi neri. All'inizio di quest'anno, Al centro della Via Lattea sono state scoperte 12 binarie a raggi X che suggeriscono che migliaia di buchi neri potrebbero nascondersi in quella regione. Uno studio recente mostra che questi buchi neri stellari dovrebbero orbitare in un disco attorno al buco nero supermassiccio centrale.

Le osservazioni mostrano che i centri della maggior parte delle galassie ospitano un buco nero supermassiccio. L'immensa gravità di questi oggetti agisce per raccogliere una densa popolazione di milioni di stelle e diverse migliaia di buchi neri di massa stellare entro pochi anni luce. Gli astrofisici hanno simulato le interazioni delle orbite stellari in queste regioni e hanno scoperto che i buchi neri si depositano in strutture precedentemente inaspettate. I risultati mostrano che gli oggetti più massicci della popolazione stellare formano una spessa struttura a disco attorno al buco nero supermassiccio nei nuclei galattici.

"In precedenza si pensava che le orbite di oggetti stellari sia leggeri che massicci fossero distribuiti isotropicamente attorno al buco nero supermassiccio. Ora capiamo che le stelle massicce e i buchi neri tipicamente si segregano in un disco, " ha detto Ákos Szölgyén dell'Università Eötvös, Ungheria, che ha condotto lo studio che è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Szölgyén e il suo dottorato di ricerca. consulente Bence Kocsis presso l'Università Eötvös, Ungheria, incorporato un importante effetto aggiuntivo nella loro simulazione, vale a dire rilassamento risonante vettoriale. Questo effetto rappresenta una piccola componente della coppia gravitazionale tra gli oggetti orbitanti che si accumula in milioni di anni e diventa dominante su lunghe scale temporali. Di conseguenza i piani orbitali degli oggetti attorno al buco nero supermassiccio ruotano lentamente.

"A differenza di uno sciame di api intorno a un alveare, le stelle volano nel centro galattico in modo più ordinato:lungo traiettorie ellittiche precedute, ciascuno confinato in un aereo, rispettivamente. Le interazioni tra tali orbite planari rimescolano lentamente i loro orientamenti nel corso di milioni di anni, " ha spiegato Bence Kocsis.

I ricercatori hanno simulato le interazioni delle orbite stellari negli ammassi stellari nucleari nel corso della storia cosmica sin dalla loro formazione.

"Secondo le nostre attuali conoscenze, gli ammassi stellari nucleari possono formarsi in due modi diversi. Il primo suggerisce che il gas sia volato nel centro della Galassia e abbia formato stelle in situ attorno al buco nero supermassiccio. L'altro modello presuppone che gli antichi ammassi globulari siano entrati a spirale nel centro galattico dove le forze di marea del buco nero supermassiccio li hanno fatti a pezzi e hanno popolato la regione centrale con il loro contenuto stellare. È probabile che entrambi i processi fossero ugualmente importanti nella formazione dell'ammasso stellare nucleare, " disse Ákos Szölgyén.

In entrambi i modelli, le orbite stellari iniziali formavano dischi attorno al buco nero supermassiccio centrale. L'orientamento di questi dischi è determinato dalla direzione da cui il gas o gli ammassi globulari in caduta si sono avvicinati al centro. Con il tempo questi dischi di stelle interagiscono gravitazionalmente e l'ipotesi precedente era che alla fine si dissolvessero. Tuttavia le stelle più massicce, che alla fine si trasformano in buchi neri, affondano ad orbite a minore inclinazione nel disco in modo simile a come le particelle più massicce affondano sul fondo di un contenitore. I fisici hanno scoperto questo fenomeno nelle simulazioni e hanno scoperto che i dischi di oggetti massicci possono essere longevi.

"Mentre il sistema stellare si evolve per riempire la regione di spazio disponibile come un gas in un contenitore, alcuni dei suoi componenti, cioè gli oggetti massicci, non può raggiungere la distribuzione sferica più disordinata. L'interazione gravitazionale tra di loro fa sì che questi oggetti si stabiliscano in uno stato di minore entropia, " ha spiegato Bence Kocsis. "Questo è molto simile al processo di rottura spontanea della simmetria noto nella fisica delle particelle e nella fisica della materia condensata".

Hanno anche studiato cosa succede con gli oggetti stellari leggeri e di massa intermedia in questa regione. Mentre le orbite degli oggetti di massa intermedia, come stelle di tipo B, ha mostrato una piccola quantità di anisotropia, i calcoli hanno mostrato che gli oggetti leggeri, come le vecchie stelle della sequenza principale come il Sole, stelle di neutroni, e le nane bianche si comportano in modo fondamentalmente diverso. Gli oggetti stellari leggeri hanno raggiunto una distribuzione sferica nel nucleo galattico nella simulazione. Questi risultati sono coerenti con le osservazioni del centro della Via Lattea in prossimità del buco nero supermassiccio centrale con una popolazione sferica di vecchie stelle di piccola massa, una distribuzione anisotropa delle B-stars, e un disco deformato di giovani stelle massicce.

Sebbene ci siano solo una dozzina di potenziali buchi neri conosciuti nel Centro Galattico, i ricercatori concludono che i buchi neri, che sono in genere più massicce delle stelle si nascondono all'interno del disco di stelle massicce.

La scoperta può avere importanti implicazioni sulla comprensione della dinamica stellare dei nuclei galattici, evoluzione della galassia, e l'origine delle onde gravitazionali.

"Se migliaia di buchi neri risiedono in un disco attorno al buco nero supermassiccio centrale, possono deformare e perforare collettivamente le nubi di gas ambientale in nuclei galattici attivi da cui si osservano deflussi altamente energetici. Questi deflussi possono influenzare fondamentalmente la struttura su larga scala della galassia ospite anche a migliaia di anni luce di distanza, " ha detto Bence Kocsis. "Ma la domanda più eccitante è se la distribuzione prevista dei dischi di buchi neri possa spiegare l'alto tasso di fusioni osservato nelle onde gravitazionali da LIGO e Virgo".