IL CASO DI MARKARIAN 231

Il quasar più vicino con due buchi neri

L'analisi delle immagini di Hubble in banda ultravioletta ha permesso agli astronomi di concludere che nel nucleo del quasar più vicino alla Terra esiste una coppia di buchi neri supermassicci, uno più grosso dell’altro. Questa scoperta, riportata su Astrophysical Journal, indica che tali sistemi binari potrebbero essere molto più comuni nei nuclei galattici attivi essendo il risultato della violenta fusione di due galassie

Mrk231

L’immagine di Markarian 231, ripresa dal telescopio spaziale Hubble, mostra un nucleo brillante di tipo stellare. L’oggetto si trova a 581 milioni di anni luce ed è il quasar più vicino alla Terra. Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

Un quasar, un nucleo attivo brillante alimentato da due buchi neri che stanno orbitando a “ritmo elevato” l’uno attorno all’altro. E non è un quasar “qualunque”,ma Markarian 231 (Mrk 231), il quasar più vicino al nostro pianeta, a 581 milioni di anni luce. I risultati, ottenuti grazie osservazioni realizzate con il telescopio spaziale Hubble, sono pubblicati su Astrophysical Journal e suggeriscono che in generale i nuclei delle galassie attive potrebbero ospitare non uno bensì due buchi neri supermassicci, risultato della violenta fusione (merger) di due galassie.

Come una coppia di pattinatori che ruotano vorticosamente, i due buchi neri stanno generando una enorme quantità di energia che rende il nucleo di Mrk 231 così brillante da superare la luminosità di miliardi di stelle che compongono la galassia ospite. Questa fenomenologia è caratteristica di quegli oggetti che gli astronomi chiamano quasar. I ricercatori hanno analizzato le immagini del nucleo di Mrk 231 in banda ultravioletta utilizzando l’archivio di Hubble per studiare alcune “proprietà estreme e sorprendenti” così come viene descritto nel loro articolo.

Illustrazione artistica del sistema binario di buchi neri nel nucleo di Mrk 231. Come una coppia di pattinatori che si muovono spiraleggiando, i due buchi neri generano una enorme quantità di energia che rende brillante il nucleo. Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

Nel caso in cui fosse presente solo un quasar nel nucleo di Mrk 231, l’intero disco di accrescimento, costituito dal gas caldo e dalla polvere circostante, dovrebbe emettere radiazione ultravioletta. Invece, si nota che l’emissione in banda ultravioletta del disco cala bruscamente verso il centro. Ciò rappresenta una evidenza osservativa che indica la presenza nel disco di una sorta di “grande buco a forma di ciambella” che circonda il buco nero centrale. La migliore spiegazione ai dati osservativi, basata su modelli dinamici, suggerisce che la parte centrale del disco sia statascavata” dall’azione dei due buchi che orbitano l’uno attorno all’altro. Il secondo buco nero, quello più piccolo, orbita nell’estremità più interna del disco di accrescimento e possiede il suo “mini-disco” che emette anch’esso radiazione ultravioletta.

Questo grafico semplificato mostra lo spettro del nucleo di Mrk 231 espresso in termini della variazione di luminosità in funzione della lunghezza d’onda dall’ottico all’ultravioletto. Si nota come l’emissione ultravioletta del disco di accrescimento mostra un brusco calo dovuto alla presenza di una sorta di ‘cavità’ al centro del disco prodotta molto probabilmente dall’azione di un secondo buco nero, di massa inferiore, che orbita attorno al buco nero principale. Credit: NASA, ESA, and P. Jeffries (STScI)

«Siamo estremamente eccitati di questa scoperta poiché non solo mostra l’esistenza di una binaria stretta di buchi neri in Mrk 231 ma anche perché apre una nuova strada alla ricerca sistematica di coppie di buchi neri mediante lo studio della radiazione ultravioletta», spiega Youjun Lu del National Astronomical Observatories of China, Chinese Academy of Sciences e co-autore dello studio (vedasi anche l’articolo Due buchi neri nel cuore di un quasar). «La struttura del nostro Universo, caratterizzata dalle galassie giganti e dagli ammassi di galassie, evolve a seguito della fusione di sistemi più piccoli verso sistemi più grandi, perciò i buchi neri binari sono una conseguenza naturale del merger di galassie», aggiunge Xinyu Dai dell’University of Oklahoma e co-autore dello studio.

Gli astronomi calcolano una massa di 150 milioni di Soli per il buco nero primario e di 4 milioni di masse solari per il buco nero compagno. Inoltre, i due oggetti completano un’orbita, l’uno attorno all’altro, ogni 1,2 anni. Si ritiene che il buco nero più piccolo sia il prodotto finale dell’interazione con una galassia più piccola che si è fusa nel corso del tempo con Mrk 231. Di fatto, l’evidenza di un recente merger deriva dall’asimmetria della galassia ospite e dalle lunghe code mareali delle stelle blu più giovani.

Il processo dell’interazione galattica ha reso ora Mrk 231 una “galassia starburst” alquanto attiva caratterizzata cioè da un tasso di formazione stellare almeno 100 volte superiore a quello della Via Lattea. In altre parole, il gas che viene catturato alimenta il “motore centrale”, ossia il buco nero primario, creando una serie di perturbazioni che rendono il gas turbolento secondo un processo che fa partire in maniera significativa la nascita di nuove stelle. Gli scienziati, infine, stimano che i due buchi neri finiranno per collidere entro poche centinaia di migliaia di anni formando un quasar con un buco nero supermassiccio più grande.


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