Hubble scopre il primo dei buchi neri mancanti di un ammasso stellare

Il massiccio ammasso globulare di stelle Omega Centauri ha lasciato perplessi gli astronomi per decenni. Dovrebbe essere pieno di buchi neri lasciati dalle stelle esplose, ma le prove di esserne sono scarse. Ora, gli astronomi, utilizzando dati d’archivio del telescopio spaziale Hubble NASA/ESA e osservazioni di supporto dal telescopio spaziale NASA/ESA/CSA James Webb hanno finalmente localizzato il loro primo buco nero di massa stellare in questo ammasso. Scoprire il primo di questa popolazione di buchi neri mancante aiuterà a affinare le teorie attuali sulla formazione dei buchi neri in ambienti come quelli degli Omega Centauri.

Omega Centauri è composto da 10 milioni di stelle legate gravitazionalmente. Sebbene la comunità astronomica abbia precedentemente trovato prove con Hubble che al centro si nasconda un buco nero di massa intermedia, i modelli suggeriscono che questo ammasso stellare dovrebbe contenere circa 10.000 buchi neri più piccoli di massa stellare.

Questa notevole popolazione di buchi neri è stata sfuggita alla rilevazione in studi precedenti, che utilizzavano il metodo della velocità radiale o cercavano emissioni radio e raggi X da materiale che cadeva sui buchi neri.

Una nuova scoperta presenta un approccio diverso, noto come astrometria, per misurare i movimenti molto piccoli delle stelle nel tempo.

Esaminando più di 20 anni di dati archivistici di Hubble e raccogliendo dati recenti di Webb per affinare ulteriormente le misurazioni astrometriche, il team ha individuato una stella che orbita attorno a un oggetto invisibile così pesante che deve essere un buco nero.

Soprannominato oMEGACat BH-2, è il primo buco nero di massa stellare rilevato all’interno di Omega Centauri, e possiede alcune qualità sorprendenti. oMEGACat BH-2 ha una massa inferiore alle aspettative e, con la sua stella visibile compagna, il duo buco nero-stella ha il periodo orbitale più lungo di qualsiasi sistema binario nero conosciuto fino ad oggi.

I risultati del team sono pubblicati su The Astrophysical Journal Letters.

“Con i dati di Hubble e Webb, siamo riusciti a vedere il moto della stella visibile della sequenza principale che fa parte di questa linea binaria, che si trova a circa 18.000 anni luce di distanza nell’ambiente denso di Omega Centauri”, ha dichiarato l’autore principale dell’articolo Matthew Whitaker dell’Università dello Utah, Salt Lake City, negli Stati Uniti.

“La precisione di queste misurazioni è incredibile, fino a una frazione di pixel sui rilevatori di Hubble e Webb. Non sarebbe stato possibile trovare questo buco nero senza questi due telescopi spaziali.”

I risultati del team affinano uno studio passato condotto da un altro gruppo di scienziati che suggeriva che questo sistema binario includesse una stella di neutroni.

Espandendo i dati analizzati da Hubble includendo misurazioni astrometriche dal 2002 al 2023, e raccogliendo dati nel vicino infrarosso di Webb per migliorare la precisione, il team guidato dall’Università dello Utah è riuscito a limitare meglio la massa della compagna oscura della stella visibile, escludendo la possibilità della stella di neutroni.

“Sebbene sapessimo già che la stella aveva 0,78 masse solari, ora possiamo calcolare la massa del buco nero, che è di 4,46 masse solari e quindi troppo pesante per essere una stella di neutroni. Tuttavia, la sua massa è in realtà molto inferiore a quanto ci si aspetterebbe in un ambiente povero di metalli come l’Omega Centauri. Questo è sorprendente ed entusiasmante,” ha detto Anil Seth dell’Università dello Utah, coautore dello studio.

“Ora sappiamo che una stella povera di metallo dovrebbe essere in grado di formare un buco nero come questo, e dobbiamo capire come succede. Questa rilevazione fornisce alcuni dati a chi fa questo tipo di modellazione.”

Sulla base dei dati precisi di Hubble e Webb, il team è riuscito a tracciare il percorso della stella su oltre 20 anni, fortunatamente durante il suo avvicinamento più vicino al buco nero compagno, quando si muoveva più velocemente nel cielo.

Dai dati estesi, il team ha determinato che la stella visibile orbita attorno a oMEGACat BH-2 una volta ogni 94 anni, rendendola il binario a buco nero a periodo più lungo mai conosciuto.

Il suo lungo periodo orbitale fornisce anche un indizio sull’origine di questo sistema binario. Probabilmente si è formato dinamicamente, il che significa che la stella e il suo buco nero compagno non sono iniziati insieme ma si sono trovati in questo ammasso.

I ricercatori hanno calcolato che un sistema come oMEGACat BH-2 sopravviverà per meno di un miliardo di anni prima di essere distrutto da incontri con stelle vicine, molto più brevi dell’età dell’ammasso (circa 12 miliardi di anni).

“È importante comprendere le popolazioni di buchi neri negli ammassi globulari perché c’è incertezza sulla loro fisica e formazione,” ha detto Seth. 

“Più nello specifico, comprendere il processo di formazione dei buchi neri e poi la formazione dinamica di binari è fondamentale, perché influisce sulla nostra capacità di interpretare e comprendere gli eventi delle onde gravitazionali. Ambienti come Omega Centauri sono i principali luoghi in cui pensiamo che i binari si stiano fondendo e creando queste onde.”

La scoperta da parte del team del buco nero di massa stellare oMEGACat BH-2 con il dataset Hubble-Webb è solo l’inizio per individuare queste popolazioni di buchi neri evasivi in ammassi globulari stellari.

“Questa nuova scoperta evidenzia l’immenso valore ereditario dell’archivio del Telescopio Spaziale Hubble”, ha dichiarato Maximilian Häberle, ricercatore post-dottorato presso l’Osservatorio Europeo Australe, che ha guidato la riduzione dei dati per i dati di Hubble e Webb. 

“Segna la seconda svolta della nostra rianalisi astrometrica oMEGACat, dopo la conferma del buco nero di massa intermedia in Omega Centauri.”