Una mappa che mostra il raggruppamento di galassie con buchi neri attivi creati utilizzando Astera, uno strumento di visualizzazione cosmologica sviluppato presso l'Università di Southampton. (Immagine: Chris Marsden)

Introduzione

I buchi neri supermassicci sono i più grandi buchi neri, con masse che possono superare un miliardo di soli. Proprio questa primavera, è stata scattata la prima immagine in assoluto del buco nero supermassiccio al centro della galassia Messier 87 e recentemente i ricercatori hanno scoperto il più grande buco nero supermassiccio mai visto. Nonostante questi sforzi rivoluzionari, capire come questi buchi neri guidano la forma e la struttura di una galassia continua ad essere una sfida dal momento che la maggior parte di esse è troppo lontana perché gli attuali telescopi possano osservarle con precisione.

Uno studio pubblicato su Nature Astronomy descrive un nuovo modo di “pesare” i buchi neri supermassicci nei centri delle galassie usando come proxy le distanze tra le galassie vicine. La ricerca è stata una collaborazione globale che ha coinvolto ricercatori di istituzioni nel Regno Unito, Italia, Germania, Cile e Stati Uniti, tra cui la facoltà di Penn Mariangela Bernardi e Ravi Sheth.

Il pregiudizio sulla massa dei buchi neri

Ottenere una stima accurata della massa di un buco nero supermassiccio viene di solito effettuata misurando la velocità della polvere e del gas che la circonda. Ciò richiede telescopi estremamente sensibili che utilizzano un’analisi complessa e possono essere eseguiti solo per buchi neri abbastanza grandi e relativamente vicini alla Terra. Tuttavia, se questa massa è correlata ad altre proprietà della galassia ospite, anche nel caso in cui il buco nero è più piccolo o più lontano, si può ricorrere a queste altre proprietà come “proxy” per misurare la massa.

Uno degli autori, Bernardi, spiega che: “Ci siamo resi conto che esiste un pregiudizio nel campione che è stato usato per calibrare le masse. Gli oggetti per i quali siamo attualmente in grado di misurare le masse non sembrano essere tipici. Il nostro lavoro ha suggerito che i buchi neri supermassicci, in media, non sono così massicci come si pensava“.

Per verificare questa differenza di massa, i ricercatori hanno escogitato un modo nuovo e molto diverso di stimare le masse di buco nero. Hanno usato il fatto che, mentre un buco nero è circondato dalla sua galassia ospite, la galassia stessa è circondata da un “alone” ancora più grande fatto di materia oscura. Le galassie che sono circondate da aloni più massicci sono note per raggrupparsi con altre galassie grandi e massicce. Dal momento che esistono buchi neri più massicci in galassie più massicce che hanno aloni più massicci, la forza di raggruppamento in realtà “pesa” gli aloni della materia oscura e, by proxy, le masse dei buchi neri ai loro centri.

Buchi neri meno massicci

Questa nuova misurazione suggerisce anche che i buchi neri supermassicci sono meno massicci di quanto si pensasse in precedenza e potrebbero spiegare perché alcuni esperimenti in corso non abbiano prodotto i risultati previsti. Ad esempio, le pulsar, i resti di stelle esplose, brillano come fari che ruotano molto rapidamente, centinaia di volte al secondo. 

La luce delle pulsar viene emessa in intervalli incredibilmente brevi e regolari mentre il raggio attraversa la Terra ancora e ancora. I ricercatori sono attualmente alla ricerca di onde gravitazionali causate dalla collisione di due buchi neri supermassicci, che dovrebbero far oscillare questi raggi verso e lontano dalla Terra mentre l’onda corre oltre e influenza la tempistica degli impulsi.

Poiché i cambiamenti previsti non sono ancora stati visti, dice Sheth:”Le persone stavano cominciando a preoccuparsi che forse la gravità è strana, o forse non comprendiamo appieno la fisica delle fusioni che creano le onde gravitazionali. Ma se nel buco nero le masse sono più piccole di quanto si pensasse in precedenza, le onde gravitazionali previste sarebbero più deboli, rendendo più difficili da rilevare i cambiamenti nei tempi delle pulsar“.

Extremely Large Telescope

Nei prossimi 10 anni, si prevede che nuovi telescopi saranno in grado di ottenere misurazioni di massa più accurate per i buchi neri e di offrire ai ricercatori l’opportunità di testare il loro nuovo metodo con set di dati più grandi. Strutture come l’Extremely Large Telescope, che dovrebbe essere completato nel 2025, possono consentire ai ricercatori di misurare direttamente i buchi neri più piccoli e più distanti e le loro galassie ospiti.

“Questi risultati hanno implicazioni significative per la nostra comprensione dell’evoluzione e della crescita dei buchi neri supermassicci “, afferma l’autore principale Francesco ShankarBernardi aggiunge che questo lavoro consentirà anche ai ricercatori di studiare ulteriormente la connessione tra la crescita supermassiva del buco nero e l’evoluzione delle galassie.

Citazioni e Approfondimenti