Colta sul fatto: osservata una stella che scompare trasformarsi in un buco nero

Un team di astronomi guidato da Kishalay De del Flatiron Institute scoprì che una stella nella galassia di Andromeda era scomparsa senza trasformarsi in supernova, e invece era collassata direttamente in un buco nero. L’analisi del team rivela cosa è successo.

 

 

Gli astronomi hanno visto una stella morente non esplodere come supernova, ma invece collassare in un buco nero.

L’avvistamento straordinario è il record osservazionale più completo mai realizzato della trasformazione di una stella in un buco nero, permettendo agli astronomi di costruire un quadro fisico completo del processo.

Combinando osservazioni recenti della stella con oltre un decennio di dati d’archivio, gli astronomi hanno confermato e perfezionato modelli teorici su come stelle così massicce si trasformino in buchi neri.

Il team ha scoperto che la stella non era esplosa come supernova alla fine della sua vita; Invece, il nucleo della stella collassa in un buco nero, espellendo lentamente i suoi turbolenti strati esterni.

I risultati, pubblicati il 12 febbraio su Science, stanno già suscitando entusiasmo come raro sguardo sulle misteriose origini dei buchi neri. La scoperta aiuterà a spiegare perché alcune stelle massicce si trasformano in buchi neri quando muoiono, mentre altre no.

“Questo è solo l’inizio della storia”, afferma Kishalay De, ricercatore associato presso il Flatiron Institute della Simons Foundation e autore principale del nuovo studio.

La luce proveniente dai detriti polverosi che circondano il buco nero neonato, dice, “sarà visibile per decenni al livello di sensibilità di telescopi come il James Webb Space Telescope, perché continuerà a svanire molto lentamente. E questo potrebbe diventare un punto di riferimento per comprendere come si formano i buchi neri stellari nell’universo.”

La stella ormai deceduta, chiamata M31-2014-DS1, si trova a circa 2,5 milioni di anni luce dalla Terra, nella vicina galassia di Andromeda.

De e i suoi collaboratori hanno analizzato misurazioni della stella dal progetto NEOWISE della NASA e da altri telescopi terrestri e spaziali per un periodo dal 2005 al 2023.

Hanno scoperto che la luce infrarossa di M31-2014-DS1 ha iniziato a illuminarsi nel 2014. Poi, nel 2016, la stella si è rapidamente affievolita molto al di sotto della sua luminosità originale in appena un anno.

Le osservazioni del 2022 e 2023 hanno mostrato che la stella è praticamente scomparsa nella luce visibile e nel vicino infrarosso, diventando un diecimillesimo della luminosità in queste lunghezze d’onda.

Il suo residuo è ora rilevabile solo nella luce infrarossa media, dove brilla solo un decimo in più di prima.

De dice: “Questa stella era una delle più luminose della Galassia di Andromeda, e ora non si vedeva più. Immagina se la stella Betelgeuse sparisse improvvisamente. Tutti impazzirebbero! La stessa cosa stava accadendo con questa stella nella galassia di Andromeda.”

Confrontando queste osservazioni con le previsioni teoriche, i ricercatori hanno concluso che il drastico declino della stella a una frazione così piccola della sua luminosità totale originale fornisce forti prove che il suo nucleo sia collassato diventando un buco nero.

Le stelle fondono idrogeno in elio nei loro nuclei, e questo processo genera pressione verso l’esterno per bilanciare la forza incessante verso l’interno della gravità.

Quando una stella massiccia, circa 10 volte o più pesante del nostro Sole, inizia a esaurire il combustibile, l’equilibrio tra forze interne ed esterne viene alterato.

La gravità inizia a collassare la stella, e il suo nucleo soccombe per primo formando una stella di neutroni densa al centro.

Spesso, l’emissione di neutrini in questo processo genera un’onda d’urto potente che è abbastanza esplosiva da strappare la maggior parte del nucleo e degli strati esterni in una supernova.

Tuttavia, se l’onda d’urto alimentata dai neutrini non riesce a spingere il materiale stellare fuori, la teoria ha da tempo suggerito che la maggior parte del materiale stellare ricadrebbe invece nella stella di neutroni, formando un buco nero.

“Sappiamo da quasi 50 anni che esistono i buchi neri,” dice De, “eppure stiamo appena iniziando a comprendere quali stelle si trasformano in buchi neri e come lo fanno.”

Le osservazioni e l’analisi di M31-2014-DS1 hanno permesso al team di reinterpretare le osservazioni di una stella simile, NGC 6946-BH1.

Questo portò a una svolta importante nella comprensione di cosa fosse successo agli strati esterni che avevano avvolto la stella dopo che questa non era riuscita a diventare una supernova e era collassata in un buco nero. L’elemento trascurato? Convezione.

La convezione è un sottoprodotto delle enormi differenze di temperatura all’interno della stella.

Il materiale vicino al centro della stella è estremamente caldo, mentre le regioni esterne sono molto più fredde.

Questa differenza fa sì che i gas all’interno della stella si spostino da regioni più calde a quelle più fredde.

Quando il nucleo della stella collassa, il gas negli strati esterni si muove ancora rapidamente a causa di questa convezione.

Modelli teorici sviluppati dagli astronomi del Flatiron Institute hanno dimostrato che ciò impedisce alla maggior parte degli strati esterni di cadere direttamente all’interno; invece, gli strati più interni orbitano all’esterno del buco nero e guidano l’espulsione degli strati più esterni della regione convettiva.

Il materiale espulso si raffredda man mano che si allontana dal materiale caldo attorno al buco nero.

Questo materiale freddo forma facilmente polvere mentre atomi e molecole si combinano.

La polvere oscura il gas caldo che orbita attorno al buco nero, riscaldando la polvere e produciendo un illuminante osservabile nelle lunghezze d’onda infrarosse

. Questo bagliore rosso persistente è visibile per decenni dopo che la stella stessa scompare.

La coautrice e ricercatrice di Flatiron Andrea Antoni ha precedentemente sviluppato le previsioni teoriche per questi modelli di convezione. Con le notevoli prove osservative di M31-2014-DS1, afferma: “il tasso di accrescimento — il tasso di cadenza del materiale — è molto più lento rispetto a se la stella implodesse direttamente dentro. Questo materiale convettivo ha momento angolare, quindi si circolarizza attorno al buco nero. Invece di volerci mesi o un anno per entrare nel gruppo, ci vogliono decenni. E per tutto ciò, diventa una sorgente più luminosa di quanto sarebbe altrimenti, e osserviamo un lungo ritardo nell’oscuramento della stella originale.”

Simile all’acqua che vortica attorno allo scarico di una vasca da bagno invece di scorrere dritta verso il basso, il gas in movimento attorno a questo buco nero appena formato continua nella sua orbita caotica anche mentre viene lentamente ritirato verso l’interno.

Così, la caduta ferma generata dalla convezione impedisce all’intera stella di collassare direttamente nel buco nero neonato.

Invece, i ricercatori propongono che anche dopo che il nucleo implode rapidamente, parte del materiale in uscita ricada lentamente nel corso di molti decenni.

Solo circa l’uno percento del gas originale dell’involucro stellare cade nel buco nero, alimentando la luce che ne emana oggi, stimano i ricercatori.

Durante l’analisi delle osservazioni di M31-2014-DS1, De e il suo team hanno anche rivalutato una stella simile, NGC 6946-BH1, classificata 10 anni fa.

Nel nuovo articolo, presentano prove sorprendenti che spiegano perché questa stella abbia seguito uno schema simile. M31-2014-DS1 inizialmente si distingueva come un “strano”, dice De, eppure ora sembra essere solo un membro di una classe di oggetti — incluso NGC 6946-BH1.

“Solo con questi singoli gioielli della scoperta iniziamo a mettere insieme un quadro come questo,” dice De.

 

 

Immagine: Keith Miller, Caltech/IPAC – SELab