VOCI E DOMANDE DELL’ASTROFISICA

Buchi neri con girovita da mediani

C'è una via di mezzo tra i buchi neri supermassicci e quelli di origine stellare? Esiste una classe di buchi neri di taglia 'M'? Questa domanda assilla gli astrofisici da almeno due decenni e rimane tuttora senza risposta. Una svolta potrebbe arrivare dai rivelatori di onde gravitazionali

Immagine della galassia Eso 243-49 ottenuta utilizzando dati del telescopio spaziale Hubble. Lo zoom nel riquadro e la freccia mostrano la posizione della sorgente X HLX-1, che è uno dei principali candidati buco nero di massa intermedia. Fonte: Mnras 433, 849, M. Mapelli et al. (2013)

Quando un (astro)fisico vede una quantità fortemente discontinua (in inglese: un gap) sente subito puzza di bruciato: forse c’è qualcosa che non abbiamo ancora capito. Questo è il caso della distribuzione di massa dei buchi neri. Nell’universo osserviamo buchi neri supermassicci al centro di buona parte delle galassie giganti. La massa di un buco nero supermassiccio è pari ad almeno un milione (ma può arrivare fino ad un miliardo) di volte la massa del Sole. Inoltre, sappiamo che una parte delle binarie a raggi X ospitano buchi neri di massa stellare, formatisi dal collasso di stelle massicce. La massa di un buco nero di origine stellare è dell’ordine di 10 volte la massa del Sole. Quindi, tra la massa tipica di un buco nero di origine stellare e la massa minima di un buco nero supermassiccio c’è un gap, un salto di circa 5 ordini di grandezza.

È possibile che non esistano buchi neri con massa intermedia tra i buchi neri supermassicci e quelli di origine stellare? Questa domanda assilla gli astrofisici da almeno due decenni e rimane tuttora senza risposta.

La densità minima di stelle necessaria per formare dinamicamente un buco nero di massa intermedia è almeno 1000 stelle per parsec cubo. Questa densità è almeno 4 ordini di grandezza maggiore della densità di stelle nei dintorni del nostro sole, ma può venire raggiunta facilmente nel nucleo di ammassi stellari come R136

Gli astrofisici teorici hanno predetto l’esistenza di “buchi neri di massa intermedia” con massa tra ~100 e ~100mila volte la massa del Sole. Questi oggetti potrebbero formarsi in vario modo. Per esempio, potrebbero essere il risultato del collasso di una stella estremamente massiccia (>250 masse solari) e povera di metalli. Oppure potrebbero essere il risultato di un fenomeno dinamico, come il processo di collisione a cascata (in inglese “runaway collisions”). Questo scenario si basa sull’idea che le stelle massicce formatesi in un ammasso stellare denso si concentrano rapidamente nel nucleo dell’ammasso, come risultato delle interazioni gravitazionali con le stelle più leggere. Una volta al centro, le stelle massicce cominciano ad interagire tra di loro, subendo collisioni multiple. Il risultato delle collisioni è una stella estremamente massiccia (~200-500 masse solari) che potrebbe poi collassare gravitazionalmente, formando un buco nero di massa intermedia.

Studi in corso e domande aperte:

L’esistenza stessa dei buchi neri di massa intermedia è una domanda aperta. Per anni le sorgenti X ultraluminose (cioè con luminosità più alta di quella che ci si aspetta da un buco nero stellare che accresce materia in modo stabile) sono state considerate il miglior candidato ad ospitare buchi neri di massa intermedia. Allo stato attuale, soltanto una di esse sembra essere associata con una certa sicurezza ad un buco nero di massa intermedia: la sorgente Hlx-1 nella galassia Eso 243-49. Un altro luogo dove gli astrofisici stanno tuttora cercando buchi neri di massa intermedia è il nucleo degli ammassi globulari, ma questa ricerca ha finora dato risultati negativi o incerti.  Alcuni buchi neri con massa ~100mila masse solari sono stati individuati nei nuclei di galassie nane, ma questi oggetti sembrano essere dei buchi neri supermassicci “falliti”, piuttosto che dei veri e propri buchi neri di massa intermedia.

Immagine di una simulazione a N-corpi di un ammasso stellare denso dove un buco nero di massa intermedia potrebbe formarsi attraverso collisioni a catena. Ogni punto nell’immagine è una particella stellare. I diversi colori e dimensioni delle particelle sono indicativi delle diverse temperature e luminosità delle stelle. Le dimensioni dell’immagine sono 2 parsec x 2 parsec. Crediti: Michela Mapelli

Le attese degli astrofisici si concentrano ora sui rivelatori di onde gravitazionali: nei prossimi anni gli interferometri Ligo-Virgo potrebbero essere in grado di catturare gli ultimi istanti della fusione tra un buco nero di massa intermedia e un buco nero di massa stellare.

Dal punto di vista teorico, lo sviluppo di modelli innovativi ha reso possibile lo studio delle stelle super-massicce e della loro dinamica in ammassi stellari densi. È quindi  in atto una profonda revisione degli scenari di formazione dei buchi neri di massa intermedia: i nuovi modelli sottolineano come i buchi neri di massa intermedia potrebbero formarsi solo in ambienti poveri di metalli.

Il coinvolgimento dell’Istituto nazionale di astrofisica

Inaf è coinvolta sia nello studio delle sorgenti X ultraluminose, sia nella ricerca di prove dinamiche dell’esistenza di buchi neri di massa intermedia. Un passo fondamentale in questo senso sarà possibile tra qualche anno grazie alla risoluzione spaziale del telescopio Elt. Dal punto di vista teorico, Inaf è all’avanguardia nello sviluppo di modelli numerici per lo studio della formazione ed evoluzione dinamica dei buchi neri di massa intermedia.


L’autrice: Michela Mapelli è ricercatrice Inaf all’Osservatorio astronomico di Padova

Su Media Inaf potrai trovare, mano a mano che verranno pubblicate, tutte le schede della rubrica dedicata a Voci e domande dell’astrofisica, scritte dalle ricercatrici e dai ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica.