Nel 2022, un gruppo di astronomi si è accorto di una stranezza in una delle tante immagini scattate dal telescopio spaziale Hubble: una sottile striscia bianca che puntava direttamente verso il centro di una galassia vicina. Inizialmente considerato come un errore strumentale, a seguito di osservazioni spettroscopiche, l’oggetto si è rivelato essere una catena di giovani stelle blu lunga più di 200mila anni luce.
Illustrazione artistica di Rbh-1 e della sua scia di formazione stellare. Crediti: Nasa, Esa, Leah Hustak (Stsci)
Gli scienziati che l’hanno individuata hanno ipotizzato che questa insolita struttura potesse essere dovuta alla presenza di un buco nero supermassiccio, al quale è stato dato il nome Rbh-1 (runaway black hole), che, sfrecciando nello spazio, ha permesso l’addensarsi del gas circumgalattico dietro di sé, innescando così una “coda” di formazione stellare al suo passaggio.
Ora, un altro team di ricercatori ha combinato alcuni nuovi dati raccolti con il James Webb Telescope, dotato di strumenti più potenti e sensibili rispetto a Hubble, e simulazioni numeriche di relatività generale per cercare di determinare le condizioni fisiche e i parametri che hanno dato origine a questo raro evento.
La linea bianca era stata inizialmente scartata perché ritenuta un artefatto delle fotocamere di Hubble. Osservazioni spettroscopiche successive hanno rivelato che si tratta di una catena di giovani stelle blu lunga 200mila anni luce che si estende fino alla galassia in alto a destra. Crediti: Nasa, Esa, Pieter van Dokkum (Yale); elaborazione immagine: Joseph DePasquale (Stsci)
Con ogni probabilità, il buco nero vagante è il frutto della violenta fusione di due buchi neri – un cosiddetto merging – che, in determinate condizioni, avrebbe potuto fornire all’oggetto la velocità osservata: quasi mille chilometri al secondo. Durante la fusione, infatti, i buchi neri emettono onde gravitazionali molto intense e se il sistema è sufficientemente sbilanciato da una parte, le onde possono generare una spinta sufficiente a lanciare il buco nero appena formato, più massiccio, su una traiettoria completamente diversa.«Come il rinculo dovuto allo sparo di un cannone», spiega Tejaswi Venumadhav, coautore dello studio.
Per ricostruire l’evento, gli scienziati hanno effettuato centinaia di migliaia di simulazioni, ognuna con una diversa coppia ipotetica di buchi neri, per poi tenere solo quelle che fornivano una velocità finale confrontabile con quella misurata per Rbh-1. È emerso che i due progenitori dovevano avere una massa simile, con uno dei due al massimo sei volte più massiccio dell’altro, e che entrambi dovevano ruotare rapidamente e in senso opposto.
Gli autori dello studio hanno calcolato che il più massiccio dei due corpi doveva ruotare al 70-75 per cento del limite massimo consentito dalla relatività generale, con il suo asse di rotazione inclinato e in precessione, come una trottola. «Inizialmente sono rimasto sorpreso da quanto tutto ciò suoni estremo», commenta Venumadhav, «ma poi ho capito che probabilmente doveva essere così, per poter produrre la spettacolare struttura osservata dai telescopi».
Illustrazione artistica della fusione di due buchi neri in rotazione uno attorno all’altro. Crediti: Ligo / Caltech / Mit / Sonoma State (Aurore Simonnet)
Come se non bastasse, a questo già caotico scenario si aggiunge il fatto che i buchi neri supermassicci sembrano essersi formati relativamente presto nella storia dell’universo, e quando i due progenitori di Rbh-1 si sono incontrati, più di 7,5 miliardi di anni fa, ogni galassia ospitava al centro ormai uno solo di questi giganti, nato dal merging di eventuali buchi neri vicini avvenuto in epoche precedenti. Questo significa che i due buchi neri non potevano trovarsi già nella stessa galassia: l’unico modo in cui possono essersi incontrati è che le rispettive galassie ospiti si siano prima scontrate e fuse tra loro, portando con sé, verso il centro del nuovo sistema, i due oggetti.
Non solo: dagli spin ottenuti dalle simulazioni, gli autori dello studio hanno dedotto che anche la rotazione delle due galassie doveva essere disallineata, e che la più grande fosse al massimo quattro volte più massiccia di quella più piccola. La galassia risultante da questa fusione, chiamata Gx nello studio, porta ancora oggi i segni di questo violento passato. «Non sembra essersi assestata al cento per cento», dice il primo autore dell’articolo, Tousif Islam, dell’Università della California – Santa Barbara, «ma si è assestata parecchio».
La relatività generale prevede che il 5-10 per cento di queste fusioni possa conferire al buco nero risultante una spinta come quella di Rbh-1, ma questa è la prima volta che gli scienziati osservano un oggetto che corrisponde a questo scenario. I buchi neri esistono in una grande varietà di dimensioni, ma si dividono essenzialmente in due categorie principali: da un lato i buchi neri supermassicci, milioni o miliardi di volte più massicci del Sole, di cui solitamente ne esiste uno solo al centro di ogni galassia, dall’altro i molto più numerosi buchi neri di massa stellare, appena 20-30 volte più massicci del Sole.
Gli osservatori di onde gravitazionali di cui disponiamo ora, come Ligo e Virgo, sono in grado di “ascoltare” i segnali prodotti dalla fusione di questi ultimi. I buchi neri supermassicci, invece, restano fuori portata: «quando si fondono, trasmettono a una frequenza molto più bassa», spiega Islam. Lisa, un osservatorio spaziale per onde gravitazionali il cui lancio è previsto per il 2037, sarà invece abbastanza grande da riuscire a captare proprio quelle frequenze basse finora inaccessibili. Nel frattempo, osservare altri oggetti in fuga come Rbh-1 con il James Webb Space Telescope permetterà agli scienziati di farsi un’idea sempre più precisa di questi fenomeni. «Ciò consente di collegare quello che i telescopi vedono a quello che Lisa sentirà», conclude Venumadhav.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters “Progenitor of the Recoiling Supermassive Black Hole RBH-1 Identified Using HST and JWST Imaging” di Tousif Islam, Tejaswi Venumadhav e Digvijay Wadekar.
- Leggi su A Candidate Runaway Supermassive Black Hole Identified by Shocks and Star Formation in its Wake” di Pieter van Dokkum, Imad Pasha, Maria Luisa Buzzo, Stephanie LaMassa, Zili Shen, Michael A. Keim, Roberto Abraham, Charlie Conroy, Shany Danieli, Kaustav Mitra, Daisuke Nagai, Priyamvada Natarajan, Aaron J. Romanowsky, Grant Tremblay, C. Megan Urry, and Frank C. van den Bosch