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Lo studio di questi buchi neri di massa stellare offre anche preziose informazioni sul comportamento dei buchi neri supermassicci al centro delle galassie, che possono influenzare profondamente la formazione stellare e l’evoluzione galattica.
Un team di ricerca internazionale guidato dal professor Jon M. Miller (Università del Michigan), dal dottor Misaki Mizumoto (University of Teacher Education Fukuoka) e dal dottor Megumi Shidatsu (Ehime University) ha riportato risultati notevoli da un’osservazione XRISM del buco nero binario a raggi X 4U 1630-472, situato nella nostra galassia.
XRISM è un satellite astronomico a raggi X sviluppato dal Giappone in collaborazione con gli Stati Uniti e l’Europa ed è stato lanciato dal Tanegashima Space Center il 7 settembre 2023.
Questa osservazione, condotta durante la fine di un’esplosione, ha catturato con successo le linee di assorbimento del ferro altamente ionizzato nello stato di raggi X più deboli del sistema.
I risultati offrono uno sguardo raro sulla struttura e il movimento del gas caldo attorno a un buco nero durante la sua fase di raggi X più debole, fornendo nuove intuizioni su come questi sistemi estremi si evolvono e interagiscono con l’ambiente circostante.
I buchi neri hanno dimensioni variabili da pochi a miliardi di masse solari.
Una binaria a raggi X di un buco nero contiene un buco nero di massa stellare, in genere inferiore a qualche decina di volte la massa solare, in orbita attorno a una stella normale.
Il gas prelevato dalla stella compagna si muove a spirale verso il buco nero, formando un disco di accrescimento estremamente caldo.
Nelle sue regioni interne, le temperature possono raggiungere quasi 10 milioni di Kelvin, generando un’intensa emissione di raggi X.
Sono note circa 100 binarie a raggi X di buchi neri confermate o candidate, tra cui la famosa Cygnus X-1.
Questi sistemi trascorrono la maggior parte del loro tempo in uno stato di oscurità, ma occasionalmente subiscono esplosioni, durante le quali la loro luminosità dei raggi X può aumentare di fattori di 10.000 in appena una settimana.
Durante tali episodi, alcuni sistemi lanciano venti potenti dai loro dischi di accrescimento, ma le condizioni che innescano tali grandi esplosioni e venti di lancio rimangono poco comprese.
Lo studio di questi buchi neri di massa stellare offre anche preziose informazioni sul comportamento dei buchi neri supermassicci al centro delle galassie, che possono influenzare profondamente la formazione stellare e l’evoluzione galattica.
Osservando da vicino i buchi neri di massa stellare, gli astronomi mirano a rivelare i processi universali che modellano gli ambienti cosmici.
XRISM è dotato di Resolve, uno spettrometro a raggi X morbidi all’avanguardia in grado di misurare le energie dei raggi X con una precisione senza precedenti.
Poco dopo l’inizio delle operazioni regolari, il team ha osservato 4U 1630-472, un buco nero binario a raggi X situato nella costellazione della Norma.
Nell’arco di circa 25 ore, dal 16 al 17 febbraio 2024, XRISM ha catturato il sistema poco prima che tornasse in quiescenza alla fine di un’esplosione, quando la sua luminosità dei raggi X era già scesa a circa un decimo del suo picco.
L’osservazione dei fenomeni transitori richiedeva un rapido coordinamento.
Il team ha condotto il monitoraggio quotidiano delle binarie a raggi X dei buchi neri utilizzando strumenti a raggi X ad ampio campo, quindi ha lavorato a stretto contatto con il team operativo di XRISM per modificare il programma con breve preavviso, rendendo possibile questa osservazione.
Gli spettri risultanti hanno rivelato chiare linee di assorbimento del ferro altamente ionizzato, anche in questa fase di scarsità. In particolare, nella seconda metà dell’osservazione, l’assorbimento si è rafforzato nonostante i piccoli cambiamenti nella luminosità dei raggi X.
L’analisi ha mostrato che il gas assorbente risiedeva nel disco di accrescimento esterno, muovendosi a meno di ~200 km/s, molto più lentamente dei venti di ~1000 km/s osservati nelle fasi più luminose.
A velocità così basse, il gas rimane gravitazionalmente legato al blacforo k.
L’aumento dell’assorbimento durante la seconda metà dell’osservazione probabilmente proveniva da una nube di gas localizzata sul bordo esterno del disco, probabilmente formatasi dove il flusso in caduta dalla stella compagna si scontrava con il disco.
Queste osservazioni segnano la prima volta che le caratteristiche di assorbimento dettagliate sono state risolte in un sistema binario a raggi X di un buco nero a una luminosità così bassa.
Grazie alle eccezionali capacità spettrali di XRISM, gli astronomi sono stati in grado di mappare il movimento e la distribuzione del gas caldo vicino al buco nero in un regime che in precedenza era stato irraggiungibile.
I risultati mostrano che anche quando l’emissione di raggi X è debole, il gas altamente ionizzato può essere presente, e forse in movimento, intorno al buco nero.
Ciò fornisce preziose informazioni sull’afflusso e il deflusso di gas nel disco di accrescimento e sulle condizioni fisiche che potrebbero innescare la formazione del vento.
Questi risultati indicano che, nello stato debole qui osservato, il gas ad alta temperatura non sta sfuggendo al sistema come un vento.
Tuttavia, negli stati più luminosi, il 4U 1630-472 è stato visto lanciare deflussi potenti e ad alta velocità, sollevando domande chiave:
- Quali condizioni esatte di luminosità e struttura del disco innescano l’accelerazione del gas in venti veloci?
- Quanta massa ed energia iniettano questi venti nell’ambiente circostante?
Il prossimo obiettivo del team è quello di catturare future esplosioni a diversi livelli di luminosità con XRISM, consentendo loro di monitorare come le proprietà del gas cambiano nel tempo.
Ora sono in standby, pronti a rispondere rapidamente quando si verificherà la prossima eruzione da un buco nero binario a raggi X.
Immagine: Jaxa
