Scoperto il buco nero più vicino alla Terra

 

Utilizzando i dati della missione astrometrica Gaia dell’ESA, gli astronomi lo hanno identificato a meno di 1600 anni luce dalla Terra: orbita attorno a una stella simile al Sole.

 

 

I buchi neri sono difficili da osservare, per definizione: massa concentrata in una regione con un diametro così piccolo che la gravità estremamente forte che ne deriva non consente a nulla di sfuggire, nemmeno alla luce. I cosiddetti buchi neri stellari, in particolare, con poche masse solari, sono lo stato finale di stelle molto massicce.

Un gruppo di astronomi guidati da Kareem El-Badry (Max Planck Institute for Astronomy [MPIA] e Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) ha usato un nuovo metodo per scoprire il buco nero conosciuto più vicino. La scoperta mostra anche lacune nelle attuali conoscenze astronomiche, in particolare sulla formazione di sistemi stellari binari.

Ci sono circa centinaia di milioni di buchi neri stellari nella nostra galassia, la Via Lattea, ma solo una piccola frazione è stata rilevata finora. Alcuni sono stati scoperti da rivelatori di onde gravitazionali, che hanno misurato quasi un centinaio di fusioni di buchi neri stellari, fornendo ulteriori dati sulle masse dei buchi neri.

Di quelle poche dozzine di buchi neri stellari che sono stati rilevati usando osservazioni telescopiche, la maggior parte orbita attorno a una stella compagna abbastanza vicino da consentire alla gravità del buco nero di attirare idrogeno gassoso dalla stella compagna in un cosiddetto disco di accrescimento che circonda il buco nero.

Il gas diventa quindi abbastanza caldo nel processo da emettere notevoli quantità di raggi X. Ci sono 20 noti “binarie a raggi X” di questo tipo, con altri 50 oggetti candidati.

Ci sono stati diversi tentativi di trovare anche buchi neri “quiescenti” in sistemi binari, buchi neri senza un disco che emette raggi X, tramite analisi degli gli spettri stellari, la scomposizione arcobaleno della luce stellare, che contiene informazioni sul moto di un astro.

Lo sappiamo, dalla vita di tutti i giorni, dall’effetto Doppler per il suono: un’ambulanza con una sirena a tutto volume suonerà più acuta quando viene verso di noi, e più bassa una volta che ci ha superato. Allo stesso modo, la luce negli spettri stellari ci dice del moto di una stella direttamente verso di noi o lontano da noi.

Negli ultimi anni, ci sono state diverse affermazioni di scoperte di buchi neri quiescenti, tuttavia, tutti tranne uno di essi (la scoperta del giugno 2022 del sistema binario VFTS 243, con El-Badry come co-autore), sono stati contestati o addirittura confutati da studi di follow-up.

Il problema chiave: gli spettri forniscono solo una parte delle informazioni sul moto stellare, e quindi sull’orbita e sulla massa della compagna. Le informazioni mancanti sono una fonte fondamentale di incertezza.

Da alcuni anni, si è cominciato a ritenere che la missione astrometrica Gaia dell’ESA avrebbe aperto un nuovo modo di rilevare e caratterizzare i buchi neri nei sistemi stellari binari fornendo informazioni complementari a ciò che gli spettri stellari rivelano.

Gaia è progettato per misurazioni ultra-precise della posizione stellare. Ciò include la capacità di rilevare il moto di una stella visibile nel cielo e da ciò di dedurre la presenza di una compagna invisibile.

Questo tipo di binaria contenente un buco nero sarebbe ancora molto raro, rispetto al numero complessivo di binarie. Ecco perché, in questo caso, la portata di Gaia è importante quanto l’accuratezza dell’indagine: dati di alta qualità per più di centomila sistemi binari offrono una buona possibilità di trovare l’ago nel pagliaio, il buco nero binario tra i molti binari ordinari.

Quando i dati 3 di Gaia (Gaia DR3) sono stati pubblicati a metà giugno 2022, Kareem El-Badry, insieme al direttore dell’MPIA Hans-Walter Rix e ai loro colleghi hanno iniziato direttamente a setacciarli per i probabili candidati.

Generalmente, quando due oggetti in un sistema binario orbitano l’uno attorno all’altro, ognuno traccia una piccola ellisse nel cielo. Gaia DR3 contiene dati per 168.065 minuscole ellissi, o parti di esse.

Applicando criteri di selezione che erano particolarmente propensi a individuare i sistemi in cui una stella luminosa viene trascinata da una compagna invisibile con una massa considerevole, i ricercatori hanno ristretto il loro set a sei possibili candidati. 

Tutti e sei i candidati hanno meritato uno sguardo più attento, con l’aiuto delle informazioni complementari delle misurazioni della velocità radiale derivate dallo spettro della stella, fornendo informazioni sul moto verso o in allontanamento da noi.

Il fatto che le velocità radiali e le posizioni di Gaia siano due facce della stessa medaglia, per così dire, consente controlli di coerenza cruciali. Utilizzando i dati spettrali esistenti disponibili negli archivi astronomici, gli astronomi sono stati in grado di escludere immediatamente tre dei candidati. In questi casi, i dati disponibili sulla velocità radiale contraddicevano categoricamente la ricostruzione Gaia dell’orbita binaria.

Un altro candidato potrebbe essere escluso dall’adattamento dei dati di Gaia all’orbita ricostruita, con un periodo orbitale così lungo che Gaia non avrebbe dovuto essere in grado di misurarlo. Un quinto candidato è ancora in fase di valutazione, in attesa di ulteriori misurazioni spettrali.

Il candidato rimanente, Gaia DR3 4373465352415301632, che i ricercatori hanno soprannominato “GaiaBH1″, si adattava molto bene: tutti i dati disponibili erano coerenti. Per una maggiore certezza, gli astronomi hanno anche eseguito ulteriori osservazioni mirate di Gaia BH1 con il telescopio Magellan Clay da 6,5 m, il telescopio Gemini-North da 8,1 m, il telescopio Keck I da 10 m e, per la parte del leone dei nuovi punti dati, il telescopio ESO/MPG da 2,2 m che MPIA gestisce all’osservatorio di La Silla dell’ESO.

La ricostruzione orbitale ha retto. Gaia BH1 era un sistema con un oggetto invisibile con una massa di circa 10 masse solari in orbita attorno a una stella molto simile al nostro Sole una volta ogni 185,6 giorni.

La distanza tra la stella e la compagna è circa la stessa della distanza media Terra-Sole. Se l’oggetto di 10 masse solari fosse un’altra stella, sarebbe necessariamente molto più luminosa della sua compagna. Invece, né Gaia né le osservazioni successive mostrano alcuna traccia di una seconda stella.

Questo rende Gaia BH1 un ottimo candidato per un buco nero e, ad una distanza di circa 1560 anni luce, di gran lunga il buco nero più vicino alla Terra che gli astronomi abbiano mai trovato, meno della metà della distanza del precedente detentore del record!

I dati di Gaia sono stati cruciali per la nuova scoperta. El-Badry arriva a dire: “Centinaia di ricercatori hanno lavorato per produrre i  dati che abbiamo usato per trovare il buco nero Gaia BH1. Questa scoperta non appartiene solo a noi, ma alla collaborazione di Gaia“.

Statisticamente parlando, la vicinanza implica che ci dovrebbero essere numerosi sistemi simili in tutta la galassia. Mettere un numero ai “numerosi” è difficile, però. Ma El-Badry e i suoi colleghi hanno una stima abbastanza buona che il prossimo grande rilascio di dati Gaia, DR4, attualmente previsto non prima della fine del 2025, dovrebbe consentire la scoperta di dozzine di sistemi simili.

Guardando indietro alla scoperta, Kareem El-Badry dice: “Ho cercato un sistema come Gaia BH1 negli ultimi quattro anni, provando tutti i tipi di metodi, ma nessuno di loro ha funzionato. È stato euforico vedere questa ricerca finalmente dare i suoi frutti”.

El-Badry aggiunge: “Parte del motivo per cui questo progetto è eccitante è che non conoscevamo davvero le nostre possibilità di trovare qualcosa: le previsioni teoriche differivano di molti ordini di grandezza. Avere un oggetto da analizzare è un importante aggiornamento da zero, e ora dobbiamo lavorare per imparare tutto ciò che possiamo da esso, mentre ci prepariamo anche per un campione più ampio nei futuri rilasci di dati Gaia. “

Gaia BH1 è una scoperta spettacolare, ma anche sconcertante. È difficile spiegare come un sistema come questo possa essersi formato. 

In particolare, la stella progenitrice che in seguito si è trasformata in un buco nero avrebbe dovuto avere una massa di almeno 20 masse solari, il che significa che la sua vita sarebbe stata molto breve, nell’ordine di alcuni milioni di anni.

Se entrambe le stelle si fossero formate contemporaneamente, questa stella massiccia si sarebbe trasformata in una supergigante, gonfiando e inghiottendo lo spazio ben oltre l’orbita comune delle stelle, prima ancora che l’altra stella avrebbe avuto il tempo di diventare una vera e propria stella che brucia idrogeno.

Non è affatto chiaro come la stella di massa solare possa essere sopravvissuta a quell’episodio, finendo apparentemente normale come indicano le osservazioni del buco nero binario. I modelli teorici che consentono la sopravvivenza prevedono tutti che la stella di massa solare avrebbe dovuto finire su un’orbita molto più stretta di quella effettivamente osservata.

Questo lascia scenari di formazione più insoliti. Ad esempio, le due stelle originali potrebbero essersi formate come parte di un ammasso stellare. Inizialmente, sarebbero stati considerevolmente più distanti, quindi la fase supergigante della stella massiccia non avrebbe disturbato l’evoluzione della stella di massa solare.

Gli incontri ravvicinati del sistema con altre stelle nell’ammasso potrebbero in seguito aver cambiato l’orbita alla sua dimensione attuale molto più piccola.

In alternativa, il sistema potrebbe infatti avere non due, ma tre componenti: due stelle massicce invece di una, in orbita stretta l’una con l’altra, e la stella di una massa solare che orbita attorno alla coppia massiccia a una distanza maggiore.

Le due stelle massicce si impedirebbero a vicenda di trasformarsi in supergiganti. In tal caso, l’oggetto di 10 masse solari potrebbe non essere un singolo buco nero, ma una coppia di buchi neri in orbita stretta l’uno attorno all’altro.

Dal momento che quella coppia orbitante eserciterebbe forze gravitazionali leggermente diverse sulla stella di una massa solare, precise osservazioni future potrebbero confermare o escludere questa possibilità.

Tutto sommato, Gaia BH1 è almeno tre cose in una: è una scoperta emozionante del buco nero conosciuto più vicino, meno della metà di qualsiasi buco nero rilevato in precedenza. È una promessa di future scoperte simili nei prossimi anni, ma anche un promemoria che fa riflettere sui limiti delle attuali conoscenze astronomiche sulla formazione di sistemi stellari binari o, più in generale, multipli.

Immagine: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (K. C. Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC (CC BY-SA 3.0 IGO)