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 che è stato a lungo previsto, anche se mai osservato. Questa coppia massiccia fornisce indizi sul perché un tale evento sembra così improbabile nell’Universo.

Quasi ogni galassia massiccia ospita un buco nero supermassiccio al suo centro.

Quando due galassie si fondono, i loro buchi neri possono formare una coppia binaria, il che significa che si trovano in un’orbita legata l’una all’altra. Si ipotizza che questi binari siano destinati a fondersi, ma questo non è mai stato osservato.

La questione se un tale evento sia possibile è stata un argomento di discussione tra gli astronomi per decenni.

In un articolo pubblicato di recente su The Astrophysical Journal, un team di astronomi ha presentato nuove informazioni su questa domanda.

Il team ha utilizzato i dati del telescopio Gemini North alle Hawaii, metà dell’International Gemini Observatory gestito dal NOIRLab della NSF, finanziato dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, 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 vedere entrambi gli oggetti separatamente e detiene il record per avere la più piccola separazione mai misurata direttamente – solo 24 anni luce. 

Mentre questa stretta separazione preannuncia una potente fusione, ulteriori studi hanno rivelato che la coppia è stata bloccata a questa distanza per oltre tre miliardi di anni, sollevando la domanda; Qual è l’ostacolo?

Per comprendere meglio le dinamiche di questo sistema e la sua fusione arrestata, 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 nelle vicinanze dei buchi neri. 

“L’eccellente sensibilità di GMOS ci ha permesso di mappare l’aumento della velocità delle stelle man mano che ci si avvicina al centro della galassia”, ha detto Roger Romani, professore di fisica alla Stanford University e co-autore dell’articolo.

“Con questo, 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 per la formazione del sistema binario e la storia della sua galassia ospite, ma supporta la teoria di lunga data secondo cui la massa di un buco nero binario supermassiccio gioca un ruolo chiave nello stallo di una potenziale fusione.

“L’archivio di dati che serve l’International Gemini Observatory contiene una miniera d’oro di scoperte scientifiche non sfruttate”, afferma Martin Still, direttore del programma NSF per l’International Gemini Observatory. “Le misurazioni di massa di questo buco nero binario supermassiccio estremo sono un esempio impressionante del potenziale impatto di una nuova ricerca che esplora questo ricco archivio”.

Capire come si è formata questa binaria può aiutare a prevedere se e quando si fonderà – e una manciata di indizi indicano che la coppia si è formata attraverso fusioni di più galassie.

La prima è che B2 0402+379 è un “ammasso fossile”, il che significa che è il risultato della fusione di un intero ammasso di galassie di stelle e gas in un’unica galassia massiccia.

Inoltre, la presenza di due buchi neri supermassicci, insieme alla loro grande massa combinata, suggerisce che siano il risultato dell’amalgama 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 fiondarsi l’uno accanto all’altro mentre si stabiliscono in un’orbita vincolata.

Ad ogni passaggio che fanno, 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 attraverso 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 vicino.

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 in fase di stallo nelle sue fasi finali.

“Normalmente sembra che le galassie con coppie di buchi neri più leggeri abbiano abbastanza stelle e massa per far incontrare rapidamente i due”, ha detto Romani. 

“Dal momento che questa coppia è così pesante, ci sono volute molte stelle e gas per portare a termine il lavoro. Ma il sistema binario ha perlustrato la galassia centrale di tale materia, lasciandola in stallo e accessibile per il nostro studio”.

Se la coppia supererà la loro stagnazione e alla fine si fonderà su scale temporali di milioni di anni, o continuerà nel limbo orbitale per sempre, 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 la distanza finale attraverso un’altra fusione di galassie, 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 effettuare indagini di follow-up 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 sul fatto che i buchi neri supermassicci possano eventualmente fondersi o se rimarranno bloccati come un sistema binario”.

 

 

Immagine: NOIRLab/NSF/AURA/J. daSilva/M. Zamani