L’immagine del potente getto emesso dal buco nero supermassiccio di M87, assieme alla struttura ad anello creata dalla materia che ci cade dentro, è stata una prima assoluta, a completare la foto (la prima, anch’essa) dell’orizzonte degli eventi pubblicata nel 2019 dall’Event Horizon Telescope. La seconda, pubblicata nel 2023, è stata possibile spingendo la lunghezza d’onda delle osservazioni un po’ più in là, a 3,5 mm. Ed è stato proprio un gioco di lunghezze d’onda a consentire a un gruppo di ricercatori dell’università di Tohoku e di Nagoya di comprendere un po’ meglio cosa alimenti la formazione di questi potenti getti in un buco nero supermassiccio in fase di accrescimento. I risultati sono stati pubblicati questa settimana in una lettera su The Astrophysical Journal.
La galassia M87 con il getto relativistico prodotto dal buco nero centrale. Il getto si estende per oltre tremila anni luce. Crediti: Nasa, Esa, Stsci, A. Lessing (Stanford University), M. Shara (AMNH); Acknowledgment: E. Baltz (Stanford University); Image Processing: J. DePasquale (STScI)
Dal punto di vista teorico, la produzione dei getti sarebbe una conseguenza del meccanismo di Blandford–Znajek, che estrae l’energia rotazionale del buco nero tramite campi magnetici su larga scala sostenuti da un flusso di accrescimento. C’è però una sorta di paradosso osservativo: nel caso in cui attorno al buco nero supermassiccio si trovi un disco di accrescimento caldo e geometricamente spesso, il meccanismo funziona bene e trova riscontro nelle osservazioni. Se, invece, a circondare il buco nero è un disco di materiale più freddo e geometricamente sottile, come quelli tipicamente osservati nei buchi neri che presentano un accrescimento molto elevato e getti intensi, il meccanismo non si applica, poiché tali dischi sono incapaci di sostenere un campo magnetico su larga scala – condizione necessaria, appunto.
Una situazione apparentemente paradossale, dicevamo. Ma, come molti “finti” paradossi, è risolvibile cambiando prospettiva. O, in questo caso, lunghezza d’onda. Combinando le osservazioni della missione X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (Xrism) con quelle di reti internazionali di radiotelescopi e telescopi millimetrici, gli autori del nuovo studio hanno ricostruito la struttura del disco di accrescimento, trovando una nuova componente calda e spessa in grado di alimentare il getto relativistico.
«Osservando lo stesso buco nero con radiotelescopi e telescopi a raggi X all’avanguardia, siamo riusciti a vedere sia il plasma caldo che lo circonda sia il getto che emerge da esso», spiega Hirofumi Noda, professore associato all’università di Tohoku e primo autore dell’articolo. «Questo ci permette di collegare direttamente l’ambiente estremo in prossimità del buco nero alla formazione del getto».
Spettro di luce che mostra il “colore” dei raggi X provenienti dalle vicinanze del buco nero, misurato con precisione dal satellite astronomico a raggi X Xrism. Le lunghezze d’onda sono allungate e i colori modificati a causa degli effetti della relatività generale. (In alto a destra) Un’immagine del getto ottenuta dal Global Millimeter Vlbi Array a una lunghezza d’onda di 3 mm. (In basso) Un’immagine artistica dell’ambiente circostante un buco nero supermassiccio in fase di alimentazione rapida. Il disco di accrescimento, freddo e piatto, si interrompe a circa 20 volte il raggio del buco nero, trasformandosi in un flusso di accrescimento caldo all’interno del quale viene lanciato il getto. Crediti: Università di Tohoku
La galassia attiva osservata si chiama 3C 120, si trova nella costellazione del Toro e ospita un buco nero supermassiccio in rapida fase di accrescimento, dal quale emerge un potente getto. Xrism ha rilevato una riga di emissione del ferro proveniente dal disco di accrescimento che circonda il buco nero, deformata dagli effetti della relatività generale di Einstein e che – proprio per questo – ha permesso ai ricercatori di determinare quanto vicino al buco nero si estenda il disco. Secondo i calcoli, il disco di accrescimento freddo e più sottile termina a una distanza pari a circa venti volte il raggio del buco nero. A distanze inferiori lascerebbe il posto a un flusso di plasma caldo, che raggiunge temperature di centinaia di milioni di gradi. A completamento, grazie alle osservazioni radio e millimetriche effettuate con il Global Millimeter Vlbi Array, il Very Long Baseline Array e l’East Asian Vlbi Network, si è riusciti a ricostruire il luogo di origine del getto, che si restringe progressivamente dall’esterno convergendo proprio all’interno di questo flusso caldo, in prossimità del buco nero.
Tutti questi elementi sono visibili nell’infografica qui sopra. Il succo della scoperta sarebbe proprio questo flusso caldo, che potrebbe favorire l’accumulo di campi magnetici attorno al buco nero. Questi, a loro volta, estraggono parte dell’energia rotazionale del buco nero e la convogliano in un potente getto, secondo il meccanismo di Blandford–Znajek. Le osservazioni combinate, dunque, non solo risolverebbero l’apparente paradosso sulla produzione di getti relativistici nei buchi neri supermassicci in rapida fase di accrescimento, ma offrirebbero un nuovo metodo per studiare le regioni più prossime e più importanti nella genesi di questo fenomeno. Metodo che, infatti, lo stesso gruppo di ricerca sta già testando su un buco nero ancora più massiccio.
«Il nostro prossimo obiettivo è costruire un quadro più completo di come interagiscono la materia, i campi magnetici e la rotazione del buco nero in questi ambienti estremi», conclude Noda. «Comprendere questo processo potrebbe aiutarci anche a capire meglio come i buchi neri supermassicci influenzino l’evoluzione delle galassie e delle strutture più grandi dell’universo».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal Letters l’articolo “Disk Truncation Triggers Relativistic Jet Launching of a Highly Accreting Supermassive Black Hole“, di Hirofumi Noda, Kazuhiro Hada, Hiroto Maruyama, Taishu Kayanoki, Kenji Toma, Taiki Kawamuro, Yoshiyuki Inoue, Tomohisa Kawashima, Soyeon Yeo, Ilje Cho, Keiichi Asada, Yasushi Fukazawa e Yoshihiro Ueda