EMISSIONE AMPLIFICATA FINO A 300 VOLTE DA UNA LENTE GRAVITAZIONALE

Così vicini, così lontani: due buchi neri a raggi X

Sfruttando una lente gravitazionale, il telescopio per raggi X Chandra della Nasa è riuscito a vedere un sistema formato da una coppia di buchi neri supermassicci molto vicini fra loro – li separano appena 650 anni luce – situati a un’enorme distanza spaziotemporale da noi, là dove l’universo aveva solo due miliardi di anni. Fra gli autori dello studio, pubblicato su The Astrophysical Journal, Cristiana Spingola dell’Istituto nazionale di astrofisica

     03/09/2021
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In alto a sinistra, l’immagine a raggi X acquisita da Chandra. La restante illustrazione mostra il tragitto della luce, con la sorgente binaria divisa (e amplificata) in tre dalla distorsione della lente gravitazionale a metà percorso. Crediti: Nasa/Cxc/M. Weiss (illustrazione); Nasa/Cxc/Sao/D. Schwartz et al. (riquadro X-ray)

Questa è una storia che può essere letta da più punti di vista. È la storia di una scoperta, quella del primo Agn binario visto in raggi X attraverso una lente gravitazionale. È la storia di un’osservazione astronomica complessa, che copre un arco di oltre vent’anni. Ed è la storia di 24 fotoni. E forse è proprio da quest’ultimo punto di vista che conviene prendere le mosse per apprezzare appieno il lavoro richiesto per arrivare al risultato pubblicato il 10 agosto scorso, su The Astrophysical Journal, da Daniel Schwartz, Cristiana Spingola e Anna Barnacka – astronomi allo Smithsonian Astrophysical Observatory (Usa) il primo e l’ultima, e all’Istituto di radioastronomia dell’Inaf di Bologna la seconda.

Ventiquattro fotoni, dicevamo. Pochissimi ma buoni: partiti da una regione remota dello spazio-tempo, hanno viaggiato indisturbati per circa 12 miliardi di anni, per poi terminare la loro lunga corsa il 12 aprile del 2000, quando nel corso di un’esposizione durata poco più di due ore (7700 secondi, per l’esattezza) finirono intrappolati uno a uno nel cilindro di specchi concentrici del telescopio spaziale per raggi X Chandra della Nasa, rimbalzando sulle loro pareti ricoperte d’iridio fino a schiantarsi nel rivelatore. Indisturbati fino a un certo punto: in realtà la loro non fu una corsa del tutto lineare. Per usare il linguaggio degli astronomi – che invece di riportare l’enorme distanza percorsa in km o in anni luce preferiscono, per evitare ambiguità, esprimerla indicando quanto, durante il viaggio, la luce si è progressivamente spostata verso il rosso a causa dell’espansione dell’universo – i “blocchi di partenza” sono collocati a redshift z=3.273. Il “traguardo” invece – il qui e ora, dove siamo noi – è per definizione a z=0. Grosso modo a metà strada, a z=1.01, i 24 fotoni hanno incontrato una galassia ellittica la cui massa, “piegando” il tessuto dello spaziotempo, ne ha deviato il percorso esattamente verso di noi, dritti dritti dentro al telescopio di Chandra.

In altre parole, questa galassia a metà strada ha agito da lente gravitazionale: un fenomeno previsto dalla relatività generale di Einstein grazie al quale, se la massa fra la sorgente e l’osservatore è collocata nel punto giusto, ha come effetto quello di ingrandire e amplificare il segnale della sorgente, proprio come farebbe una lente. E non di poco: nel caso di Mg B2016+112 – questo il nome della remota sorgente osservata da Chandra – il segnale è stato amplificato dalla provvidenziale lente naturale fino a 300 volte. Senza di essa sarebbe stato semplicemente impossibile coglierlo.

Ma lasciamo per il momento questi 24 fotoni a riposare – come in effetti hanno fatto – nell’archivio di Chandra. E facciamo un doppio salto avanti nel tempo, andando prima al 25 febbraio 2002 poi al 2 luglio 2016. In queste due date la regione di Mg B2016+112 viene scandagliata a fondo con dei radiotelescopi usando la tecnica Vlbi, che consente di raggiungere risoluzioni elevatissime. A venir raccolti, questa volta, non sono segnali X, bensì segnali radio a 1.7 GHz – anch’essi amplificati dalla lente gravitazionale. Analizzando i dati raccolti in queste due occasioni, un team guidato dalla stessa Spingola arriva a formulare un’ipotesi – pubblicata nel 2019 – sulla possibile natura della sorgente: un sistema di due buchi neri supermassicci in rapida crescita ad appena 650 anni luce l’uno dall’altro.

I fotoni X provenienti da Mg B2016+112 e acquisiti da Chandra. Crediti: D. Schwartz et al. ApJ, 2021

Per avvalorarla occorre però anche un segnale a raggi X, tipica firma degli Agn e dei buchi neri supermassicci che vi albergano al centro. Un segnale come quello offerto dai 24 fotoni presenti nell’archivio di Chandra. Ed è proprio confrontando le due “immagini” – quella ottenuta nel 2002 e nel 2016 con i radiotelescopi e quella, che vedete qui a fianco, formata dai fotoni intercettati da Chandra nell’aprile del 2000 – che, con l’aiuto di una complessa analisi statistica, Schwartz, Spingola e Barnacka sono ora arrivati a concludere che si tratta della stessa struttura vista in due bande diverse – quella radio e quella X, appunto. E se a prima vista i 24 fotoni sembrano raccogliersi non in due bensì in tre “insiemi“ (A1 con 7 fotoni, B1 con 4 e C11+C21 con 13), ciò è dovuto proprio alla lente gravitazionale, che amplifica e ingrandisce il segnale (vedi l’illustrazione in apertura) ma inevitabilmente finisce anche per restituire un’immagine distorta – e spesso multipla, come in questo caso – della sorgente.

Si tratta di un risultato di notevole rilevanza: mai prima d’ora era stato possibile distinguere in banda X due oggetti così lontani da noi e contemporaneamente così vicini fra loro. Se ne erano visti anche di più lontani, è vero, ma separati da 160mila anni luce, mentre qui la distanza fra le due sorgenti è di poche centinaia di anni luce. E se gli autori dello studio sono riusciti a stabilirlo è perché la precisione ottenuta, grazie alla lente gravitazionale, nella determinazione della posizione dei due oggetti è cento volte superiore a quella che sarebbe stata possibile per Chandra se la lente non ci fosse stata.

Oltre al record in risoluzione, c’è poi l’interesse scientifico per un’osservazione che aiuta a comprendere come buchi neri così massicci possano essere cresciuti in così breve tempo nell’universo primordiale. «Gli astronomi hanno scoperto buchi neri con masse miliardi di volte superiori a quella del Sole che si sono formati appena qualche centinaia di milioni di anni dopo il big bang, quando l’universo aveva solo una piccola percentuale della sua età attuale», osserva a questo proposito Spingola. «Come questi buchi neri supermassicci possano aver messo insieme una tale massa così rapidamente è un mistero che vogliamo risolvere».

Va infine ricordato che si tratta di una possibile rivelazione di un buco nero supermassiccio binario. Possibile perché rimane aperta la possibilità che i due oggetti visti in X siano in realtà un solo buco nero e il suo getto di materia. «Grazie alla lente gravitazionale, osservando con Chandra per un tempo molto più lungo potrebbe essere possibile distinguere fra queste due ipotesi – coppia di buchi neri oppure buco nero più getto», spiega Schwartz.

E se la tecnica adottata in quest’occasione si confermerà in grado d’individuare coppie di buchi neri supermassicci così vicini l’un l’altro da poter produrre onde gravitazionali, si tratterebbe di un’informazione quanto mai preziosa per i futuri interferometri spaziali – primo fra tutti Lisa.

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