LO STUDIO DELL'ANELLO DI EINSTEIN

Come ti peso i buchi neri supermassicci

Osservazioni realizzate con ALMA hanno permesso agli astronomi dell'Academia Sinica di stimare una massa di oltre 300 milioni di Soli per il buco nero supermassiccio che risiede nel nucleo della galassia-lente nel sistema SDP.81. I risultati di questo studio, pubblicato su Astrophysical Journal, segnano per lo strumento l'inizio di una nuova era che potrà fornire risultati importanti all'avanguardia della ricerca astronomica

L’immagine di ALMA della lente gravitazionale SDP.81. Le parti color arancione brillante dell’anello rivelano l’emissione della polvere della galassia distante. Le parti più deboli dell’anello, e a più bassa risoluzione, rappresentano l’emissione in banda millimetrica dovuta al monossido di carbonio. Credit: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/B. Saxton NRAO/AUI/NSF

Un gruppo di astronomi guidati da Kenneth Wong dell’Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica (ASIAA) a Taiwan ha studiato le migliori immagini ottenute dall’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) del sistema SDP.81. Le osservazioni di questa struttura, nota come anello di Einstein, risultato dell’effetto prodotto dal fenomeno della lente gravitazionale, hanno permesso ai ricercatori di stimare che il buco nero supermassiccio che risiede nel nucleo della galassia-lente contiene oltre 300 milioni di masse solari. Misurare le masse di buchi neri distanti rappresenta la chiave per comprendere la formazione e l’evoluzione dei buchi neri e delle rispettive galassie ospiti. Questo studio, pubblicato su Astrophysical Journal, segna l’inizio di una nuova era per lo strumento ALMA che grazie al suo potere esplorativo potrà certamente fornire risultati importanti all’avanguardia della ricerca astronomica.

I dati relativi a SDP.81, che sono stati ottenuti lo scorso Novembre 2014 per verificare le potenzialità di ALMA, sono stati resi pubblici a Febbraio di quest’anno. «Si tratta dell’immagine con la qualità più elevata di una lente gravitazionale», spiega Wong che è anche autore principale dello studio. «La quantità di dettagli presenti in questa immagine è superiore a quella che può essere fornita dai telescopi spaziali». Questa spettacolare immagine dell’anello mostra un fenomeno previsto dalla teoria della relatività generale che si ha quando tre oggetti si trovano allineati spazialmente per caso: stiamo parlando della Terra e di due altre galassie. In questo caso, la galassia interposta lungo la linea di vista si trova a 4 miliardi di anni luce, mentre la luce della galassia più distante ha viaggiato per 12 miliardi di anni prima di raggiungere gli strumenti a Terra. La gravità della galassia massiva che si trova in primo piano deflette la luce dalla galassia più distante e questo fenomeno produce una struttura a forma di anello. La galassia di fondo contiene una enorme quantità di polvere che è stata riscaldata nel corso del tempo dai processi di formazione stellare, il che la rende luminosa in banda submillimetrica dove ALMA è in grado di rivelarla.

I ricercatori hanno trovato che la galassia che si trova interposta lungo la linea di vista nel sistema SDP.81, la lente gravitazionale, contiene un buco nero supermassiccio di oltre 300 milioni di masse solari. Credit: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/K. Wong (ASIAA)

Analizzando i dati ad alta risoluzione e simulando al computer l’effetto della lente gravitazionale, i ricercatori hanno potuto stimare che la galassia-lente contiene oltre 350 miliardi di masse solari all’interno dell’anello. Inoltre, analizzando le regioni centrali di SDP.81 è stato trovato, in accordo alle previsioni, che l’immagine centrale della galassia più distante è estremamente debole. La relatività generale predice che l’immagine centrale del sistema lente gravitazionale dipende sensibilmente dalla massa del buco nero supermassiccio che risiede nella galassia-lente: più massivo è il buco nero e più debole risulta l’immagine centrale. Da queste considerazioni, gli scienziati hanno stimato che il buco nero supermassiccio, localizzato molto vicino al centro di SDP.81, può contenere oltre 300 milioni di masse solari.

«Sappiamo che quasi tutte le galassie massicce contengono nel loro nucleo un buco nero supermassiccio», spiega Wong. «Possono avere milioni, se non miliardi di volte la massa del Sole. Tuttavia, noi siamo in grado di calcolare direttamente la massa nel caso delle galassie più vicine. Con ALMA, però, abbiamo quel potere esplorativo che ci permette di osservare l’immagine centrale della galassia-lente da cui è possibile determinare la massa dei buchi neri più distanti. Misurare la massa dei buchi neri più distanti rappresenta la chiave di svolta per comprendere la loro relazione con le rispettive galassie ospiti e come essi sono evoluti nel corso del tempo cosmico».

«ALMA apre una nuova finestra nell’Universo che ci permette di ‘pesare’ i buchi neri supermassicci che risiedono nei nuclei di quelle galassie che fungono da lente gravitazionale», dice Sherry Suyu dell’ASIAA e co-autrice dello studio. «Grazie all’elevata risoluzione angolare che può raggiungere ALMA, è ora possibile fare nuove osservazioni che non possono essere realizzate da altri strumenti», aggiunge Satoki Matsushita dell’ASIAA e co-autore dello studio.

Il pannello a sinistra mostra la galassia interposta lungo la linea di vista (osservata da Hubble) e la lente gravitazionale SDP.81, che forma un anello di Einstein quasi perfetto non facilmente visibile. Al centro, l’immagine realizzata da ALMA dell’anello. La galassia-lente è invisibile da ALMA dato che non emette radiazione in banda submillimetrica. A destra, l’immagine risultante della galassia più distante, ricostruita mediante modelli sofisticati del fenomeno della lente gravitazionale, rivela strutture più piccole all’interno dell’anello che non sono state mai notate prima: enormi nubi di polvere e gas molecolare freddo, cioè quei ‘luoghi’ ideali dove si possono formare stelle e pianeti. Credit: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (University of Tokyo)/M. Swinbank (Durham University)

Già per il prossimo anno, gli autori hanno ottenuto ulteriore tempo osservativo in modo da proseguire lo studio di una lente gravitazionale più distante e simile a SDP.81, una di quelle che, come hanno anticipato gli stessi ricercatori, esibirà non solo una immagine centrale più brillante, ma da essa si potranno porre direttamente alcuni limiti alla massa del buco nero supermassiccio. Insomma, grazie ad ALMA, gli scienziati sperano ora di continuare a studiare la formazione e l’evoluzione di queste galassie massicce e dei rispettivi buchi neri.


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