Credit: Massachusetts Institute of Technology

Introduzione

Miliardi di anni fa, nel centro di un ammasso di galassie molto, molto lontano (15 miliardi di anni luce, per l’esattezza), un buco nero emetteva getti di plasma. Mentre il plasma si fuorisciva dal buco nero, allontanava il materiale creando due grandi cavità a 180 gradi l’una dall’altra. Allo stesso modo è possibile calcolare l’energia di un impatto di un asteroide in base alle dimensioni del suo cratere. Michael Calzadilla, uno studente laureato presso il MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI), ha usato la dimensione di queste cavità per capire la potenza dell’esplosione del buco nero.

Una incredibile esplosione

In un recente articolo su Astrophysical Journal Letters, Calzadilla e i suoi coautori descrivono l’esplosione nell’ammasso di galassie SPT-CLJ0528-5300, o SPT-0528 in breve. Combinando il volume e la pressione del gas spostato con l’età delle due cavità, sono stati in grado di calcolare l’energia totale dell’esplosione: più di 1054 joule di energia, una forza equivalente a circa 1038 bombe nucleari, questo è lo scoppio più potente riportato in un ammasso di galassie distante. Tra i coautori del documento, vi è anche lo scienziato della ricerca MKI Matthew Bayliss e il professore assistente di fisica Michael McDonald.

L’universo è costellato di ammassi di galassie, raccolte di centinaia e persino migliaia di galassie permeate di gas caldo e materia oscura. Al centro di ogn’una c’è un buco nero alterna fasi di assorbimento di plasma a periodi di potenti esplosione durante le quali spara getti di plasma una volta che ha raggiunto il punto critico. “Questo è un caso estremo della fase di esplosione“, afferma Calzadilla. Anche se l’esplosione è avvenuta miliardi di anni fa, prima ancora che il nostro sistema solare si fosse persino formato, ci sono voluti circa 6,7 ​​miliardi di anni prima che la luce proveniente dall’ammasso di galassie arrivasse fino a Chandra, l’osservatorio della NASA sulle emissioni di raggi X che orbita attorno alla Terra.

Poiché gli ammassi di galassie sono pieni di gas, le prime teorie su di essi prevedevano che mentre il gas si raffreddava, gli ammassi avrebbero visto alti tassi di formazione stellare, che necessitano di gas freddo per formarsi. Tuttavia, questi cluster non sono così belli come previsto e, come tali, non stavano producendo nuove stelle al ritmo previsto. Qualcosa stava impedendo al gas di raffreddarsi completamente. I colpevoli erano buchi neri supermassicci, le cui esplosioni di plasma mantengono il gas negli ammassi di galassie troppo caldo per consentire una rapida formazione stellare.

Comportamenti diversi

Lo sfogo registrato in SPT-0528 ha un’altra peculiarità che lo distingue dagli altri scoppi di buco nero. È inutilmente grande. Gli astronomi pensano al processo di raffreddamento del gas e al rilascio di gas caldo dai buchi neri come un equilibrio che mantiene stabile la temperatura nell’ammasso di galassie – che si aggira intorno ai 18 milioni di gradi Fahrenheit. “È come un termostato“, afferma McDonald. Lo sfogo in SPT-0528, tuttavia, non è in equilibrio.

Secondo Calzadilla, se si guarda a quanta energia viene rilasciata mentre il gas si raffredda sul buco nero rispetto a quanta energia è contenuta nell’esplosione, l’esplosione sta ampiamente esagerando. Nell’analogia di McDonald, lo sfogo in SPT-0528 è un termostato difettoso. “È come se raffreddassi l’aria di 2 gradi e la risposta del termostato fosse di riscaldare l’ambiente di 100 gradi“, spiega McDonald.

All’inizio del 2019, McDonald e colleghi hanno pubblicato un documento che esaminava un diverso ammasso di galassie, che mostrava un comportamento completamente opposto a quello di SPT-0528. Invece di uno scoppio inutilmente violento, il buco nero in questo cluster, soprannominato Phoenix, non era in grado di impedire il raffreddamento del gas. A differenza di tutti gli altri ammassi di galassie conosciuti, Phoenix è piena di vivai di giovani stelle, che lo distingue dalla maggior parte degli ammassi di galassie. “Con questi due ammassi di galassie, stiamo davvero osservando i confini di ciò che è possibile ai due estremi“, afferma McDonald su SPT-0528 e Phoenix.

Come un paleontologo

McDonald e Calzadilla caratterizzeranno anche i più normali ammassi di galassie, al fine di comprendere l’evoluzione degli ammassi di galassie nel tempo cosmico. Per esplorare questo, Calzadilla sta caratterizzando 100 ammassi di galassie.

Il motivo per caratterizzare una così vasta collezione di ammassi di galassie è perché ogni immagine del telescopio sta catturando gli ammassi in un momento specifico del tempo, mentre i loro comportamenti si verificano nel tempo cosmico. Questi cluster coprono una gamma di distanze ed età, permettendo a Calzadilla di studiare come le proprietà dei cluster cambiano nel tempo cosmico. “Questi sono tempi molto più grandi di quelli umani o di ciò che possiamo osservare“, spiega Calzadilla.

La ricerca è simile a quella di un paleontologo che cerca di ricostruire l’evoluzione di un animale da una documentazione fossile. Ma, al posto delle ossa, Calzadilla sta studiando ammassi di galassie, che vanno da SPT-0528 con il suo violento scoppio di plasma da un lato a Phoenix con il suo rapido raffreddamento dall’altro. “Stai guardando diverse istantanee nel tempo“, afferma Calzadilla. “Se costruisci campioni abbastanza grandi per ognuna di quelle istantanee, puoi avere un’idea dell’evoluzione di un ammasso di galassie“.

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