Scoperta una coppia di buchi neri supermassicci che orbitano l’uno intorno all’altro in un oggetto chiamato blazar, possibile obiettivo di future rilevazioni di onde gravitazionali.
Bloccati in un epico valzer cosmico a 9 miliardi di anni luce di distanza, due buchi neri supermassicci sembrano orbitare l’uno intorno all’altro ogni due anni. I due corpi giganti hanno ciascuno masse che sono centinaia di milioni di volte più grandi di quelle del Sole, e gli oggetti sono separati da una distanza circa 50 volte quella tra la nostra stella e Plutone. Quando la coppia si fonderà, tra circa 10.000 anni, la collisione dovrebbe scuotere lo spazio tempo, inviando onde gravitazionali attraverso l’universo.
Un team di astronomi guidato dal Caltech ha scoperto prove di questo scenario che si svolge all’interno di un oggetto molto energetico noto come quasar. I quasar sono nuclei attivi di galassie in cui un buco nero supermassiccio sta sottraendo materiale da un disco che lo circonda.
In alcuni quasar, il buco nero supermassiccio crea un getto che spara materia quasi alla velocità della luce. Il quasar osservato nel nuovo studio, PKS 2131-021, appartiene a una sottoclasse di quasar chiamati blazar in cui il getto è rivolto verso la Terra. Gli astronomi sapevano già che i quasar potevano possedere due buchi neri supermassicci orbitanti, ma trovare prove dirette di ciò si è rivelato difficile.
Come riportato in The Astrophysical Journal Letters, i ricercatori sostengono che PKS 2131-021 è ora il secondo candidato noto per una coppia di buchi neri supermassicci catturati nell’atto di fondersi. La prima coppia candidata, all’interno di un quasar chiamato OJ 287, orbita l’una attorno all’altra a distanze maggiori, girando ogni nove anni rispetto ai due anni necessari alla coppia PKS 2131-021 per completare un’orbita.
Le prove rivelatrici provenivano dalle osservazioni radio di PKS 2131-021 che si estendono per 45 anni. Secondo lo studio, un potente getto proveniente da uno dei due buchi neri all’interno di PKS 2131-021 si sta spostando avanti e indietro a causa del moto orbitale della coppia.
Ciò causa cambiamenti periodici nella luminosità della radio-luce del quasar. Cinque diversi osservatori hanno registrato queste oscillazioni, tra cui l’Owens Valley Radio Observatory (OVRO) del Caltech, l’Osservatorio radioastronomico dell’Università del Michigan (UMRAO), l’Osservatorio Haystack del MIT, il National Radio Astronomy Observatory (NRAO), il Metsähovi Radio Observatory in Finlandia e il satellite spaziale Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) della NASA.
La combinazione dei dati radio produce una curva di luce sinusoidale quasi perfetta, diversa da qualsiasi cosa osservata dai quasar prima.
”Quando ci siamo resi conto che i picchi e le depressioni della curva di luce rilevati negli ultimi tempi corrispondevano ai picchi e alle depressioni osservati tra il 1975 e il 1983, sapevamo che stava succedendo qualcosa di molto speciale”, afferma Sandra O’Neill, autrice principale del nuovo studio e studentessa universitaria al Caltech che è guidata da Tony Readhead.
La maggior parte delle galassie, se non tutte, possiede mostruosi buchi neri al loro interno, inclusa la Via Lattea. Quando le galassie si fondono, i loro buchi neri si uniscono per formare un buco nero ancora più massiccio. Mentre i buchi neri si muovono a spirale l’uno verso l’altro, increspano sempre più il tessuto dello spazio e del tempo, inviando onde gravitazionali, che sono state previste per la prima volta da Albert Einstein più di 100 anni fa.
Il LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) della National Science Foundation, gestito congiuntamente da Caltech e MIT, rileva onde gravitazionali da coppie di buchi neri fino a decine di volte la massa del nostro sole. Tuttavia, i buchi neri supermassicci al centro delle galassie hanno da milioni a miliardi di volte più massa del nostro sole ed emettono frequenze di onde gravitazionali più basse di quelle rilevate da LIGO.
In futuro la missione Laser Interferometer Space Antenna, o LISA, rileverebbe la fusione di buchi neri le cui masse sono da 1.000 a 10 milioni di volte superiori alla massa del nostro sole, ma finora, nessuna onda gravitazionale è stata registrata da nessuna di queste sorgenti più pesanti: PKS 2131-021 fornisce l’obiettivo più promettente di sempre.
Nel frattempo, le onde luminose sono l’opzione migliore per rilevare i buchi neri supermassicci. Il primo di questi candidati, la GU 287, presenta anche variazioni periodiche di radioluce. Queste fluttuazioni sono più irregolari e non sinusoidali, ma suggeriscono che i buchi neri orbitano l’uno attorno all’altro ogni nove anni.
buchi neri all’interno del nuovo quasar, PKS 2131-021, orbitano l’uno attorno all’altro ogni due anni e sono distanti 2.000 unità astronomiche, circa 50 volte la distanza tra il nostro sole e Plutone, da 10 a 100 volte più vicino della coppia in GU 287. (Un’unità astronomica è la distanza tra la Terra e il Sole.)
Readhead dice che le scoperte si sono svolte come un “buon romanzo poliziesco”, a partire dal 2008, quando lui e colleghi hanno iniziato a utilizzare il telescopio da 40 metri di OVRO per studiare come i buchi neri convertono il materiale di cui si “nutrono” in getti relativistici, o getti che viaggiano a velocità fino al 99,98% di quella della luce.
Avevano monitorato la luminosità di oltre 1.000 blazar per questo scopo quando, nel 2020, hanno notato un caso unico.
”PKS 2131 variava non solo periodicamente, ma sinusoidalmente”, dice Readhead. “Ciò significa che c’è un modello che possiamo tracciare nel tempo”. La domanda, dice, è poi diventata da quanto tempo è in corso.
Il team di ricerca ha quindi esaminato i dati radio d’archivio per cercare i picchi passati nelle curve di luce che corrispondevano alle previsioni basate sulle più recenti osservazioni OVRO. In primo luogo, i dati del Very Long Baseline Array e dell’UMRAO di NRAO hanno rivelato un picco del 2005 che corrispondeva.
I dati UMRAO hanno inoltre mostrato che non c’era alcun segnale sinusoidale per 20 anni prima di quel momento, fino al lontano 1981, quando fu osservato un altro picco.
”La storia si sarebbe fermata lì, poiché non ci siamo resi conto che c’erano dati su questo oggetto prima del 1980″, dice Readhead. “Ma poi Sandra ha preso in mano questo progetto nel giugno del 2021. Se non fosse per lei, questa bellissima scoperta sarebbe rimasta sullo scaffale”.
O’Neill ha iniziato a lavorare con Readhead e il secondo autore dello studio Sebastian Kiehlmann, un postdoc presso l’Università di Creta ed ex scienziato dello staff del Caltech, come parte del programma Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) del Caltech. O’Neill ha iniziato il college come laureata in chimica, ma ha preso il progetto di astronomia perché voleva rimanere attiva durante la pandemia. “Mi sono resa conto che ero molto più entusiasta di qualsiasi altra cosa su cui avevo lavorato”, dice.
Con il progetto di nuovo sul tavolo, Readhead cercò nella letteratura e scoprì che l’Haystack Observatory aveva fatto osservazioni radio di PKS 2131-021 tra il 1975 e il 1983. Questi dati hanno rivelato un altro picco corrispondente alle loro previsioni, questa volta verificatosi nel 1976.
”Questo lavoro mostra il valore di fare un monitoraggio accurato di queste fonti per molti anni per eseguire la scienza della scoperta”, afferma il co-autore Roger Blandford, Moore Distinguished Scholar in Theoretical Astrophysics al Caltech che è attualmente in periodo sabbatico dalla Stanford University.
Readhead confronta il sistema del getto che si muove avanti e indietro con la precisione di un orologio, dove ogni ciclo, o periodo, dell’onda sinusoidale corrisponde all’orbita di due anni dei buchi neri (anche se il ciclo osservato è in realtà di cinque anni a causa dell’espansione dell’universo). Questo ticchettio è stato visto per la prima volta nel 1976 e ha continuato per otto anni prima di scomparire per 20 anni, probabilmente a causa di cambiamenti nell’alimentazione del buco nero. Il ticchettio è tornato ormai da 17 anni.
”L’orologio continuava a ticchettare”, dice, “La stabilità del periodo in questo intervallo di 20 anni suggerisce fortemente che questo blazar ospita non un buco nero supermassiccio, ma due che orbitano l’uno attorno all’altro”.
La fisica alla base delle variazioni sinusoidali era inizialmente un mistero, ma Blandford ha escogitato un modello semplice ed elegante per spiegare la forma sinusoidale delle variazioni.
”Sapevamo che questa bellissima onda sinusoidale doveva dirci qualcosa di importante sul sistema”, dice Readhead. “Il modello di Roger ci mostra che è semplicemente il moto orbitale che fa questo. Prima che Roger lo risolvesse, nessuno aveva capito che un buco nero binario con un getto relativistico avrebbe avuto una curva di luce simile a questa.
Credito: Caltech/R. Hurt (IPAC)
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