Introduzione

Gli astronomi hanno trovato le migliori testimonianze di un buco nero appartenente ad una categoria piuttosto difficile da rilevare nota come “buchi neri di massa intermedia“, che ha svelato la sua esistenza lacerando una stella che passava troppo vicino.

I dati – raccolti dal telescopio spaziale Esa/Nasa – sono analizzati da un team dell’Università del New Hampshire e pubblicati in uno studio su The Astrophysical Journal Letters.

Buchi neri di massa intermedia

Con un peso di circa 50.000 volte la massa del nostro Sole, il buco nero è più piccolo dei buchi neri supermassicci (a milioni o miliardi di masse solari) che giacciono neinuclei di grandi galassie, ma più grandi dei buchi neri di massa stellare formati dal crollo di una stella massiccia.

Questi cosiddetti buchi neri a massa intermedia (IMBH) sono un “anello mancante” a lungo ricercato nell’evoluzione del buco nero. Sebbene ci siano stati alcuni altri candidati IMBH, i ricercatori considerano queste nuove osservazioni la prova più forte finora per i buchi neri di medie dimensioni nell’universo.

Ci sono voluti il ​​potere combinato di due osservatori di raggi X e la visione acuta del telescopio spaziale Hubble della NASA per inchiodare la bestia cosmica.

Credits: Goddard Space Flight Center della NASA

I buchi neri a massa intermedia sono oggetti molto sfuggenti, quindi è fondamentale valutare attentamente ed escludere spiegazioni alternative per ciascun candidato. Questo è ciò che Hubble ci ha permesso di fare in questo caso“, ha affermato Dacheng Lin dell’Università di New Hampshire, principale ricercatore dello studio.

Un caso da risolvere

La storia della scoperta sembra uno caso alla Sherlock Holmes!

Lin e il suo team hanno usato Hubble congiuntamente al NASA’s Chandra X-ray Observatory e all’ESA’s XMM-Newton. Nel 2006 questi satelliti hanno rilevato un potente bagliore di raggi X, ma non sono stati in grado di determinare se provenisse dall’interno o dall’esterno della nostra galassia. I ricercatori lo hanno attribuito a una stella fatta a pezzi dopo essersi avvicinata troppo a un oggetto compatto gravitazionalmente potente, come un buco nero.

Sorprendentemente, la sorgente di raggi X, chiamata 3XMM J215022.4-055108, non si trovava nel centro di una galassia, dove normalmente risiederebbero enormi buchi neri. Ciò suscitava la speranza che un IMBH fosse il colpevole, ma prima doveva essere esclusa un’altra possibile fonte di bagliore a raggi X: una stella di neutroni nella nostra galassia che si stava raffreddando.

immagine in bianco e nero di Hubble che mostra la posizione del buco nero
Questa immagine del telescopio spaziale Hubble ha identificato la posizione di un buco nero di massa intermedia, che pesa 50.000 volte la massa del nostro Sole. Il buco nero, chiamato 3XMM J215022.4-055108, è indicato dal cerchio bianco. Il tipo sfuggente di buco nero è stato identificato per la prima volta in uno scoppio di raggi X rivelatori emessi da gas caldo da una stella mentre veniva catturato e distrutto dal buco nero. Era necessario Hubble per individuare la posizione del buco nero alla luce visibile. Le immagini ad alta risoluzione di Hubble mostrano che il buco nero risiede in un denso ammasso di stelle che è molto al di là della nostra galassia della Via Lattea. L’ammasso stellare si trova nelle vicinanze della galassia al centro dell’immagine. Molte galassie di sfondo dall’aspetto più piccolo appaiono sparse intorno all’immagine, tra cui una spirale frontale appena sopra la galassia in primo piano centrale. Questa foto è stata scattata con Advanced Camera for Surveys di Hubble.Credits: NASA, ESA e D. Lin (Università del New Hampshire)

Hubble è stato puntato sulla sorgente di raggi X per capire la sua posizione precisa. L’imaging profondo e ad alta risoluzione fornisce una prova evidente che i raggi X non provenivano da una fonte isolata nella nostra galassia, ma invece provenivano da un ammasso stellare distante e denso alla periferia di un’altra galassia – il tipo di luogo in cui gli astronomi si aspettano di trovare un IMBH. 

Precedenti ricerche di Hubble hanno dimostrato che la massa di un buco nero al centro di una galassia è proporzionale al rigonfiamento centrale della galassia ospite. In altre parole, più massiccia è la galassia, più massiccio è il suo buco nero. Pertanto, l’ammasso stellare che ospita 3XMM J215022.4-055108 potrebbe essere il nucleo lacerato di una galassia nana di massa inferiore che è stata disturbata gravitazionalmente e in modo ordinato dalle sue strette interazioni con la galassia più grande.

Colti in flagrante

Gli IMBH sono stati particolarmente difficili da trovare perché sono più piccoli e meno attivi dei buchi neri supermassicci; non hanno fonti di combustibile prontamente disponibili, né un’attrazione gravitazionale altrettanto forte per attirare stelle e altro materiale cosmico che produrrebbe bagliori rivelatori di raggi X. Gli astronomi devono essenzialmente catturare un IMBH in flagrante nell’atto di divorare una stella. Lin e i suoi colleghi hanno esaminato l’archivio di dati di XMM-Newton, cercando tra centinaia di migliaia di osservazioni per trovare un candidato IMBH.

Il bagliore dei raggi X della stella distrutta ha permesso agli astronomi di stimare la massa del buco nero di 50.000 masse solari. La massa dell’IMBH è stata stimata in base sia alla luminosità dei raggi X sia alla forma spettrale. “Questo è molto più affidabile rispetto all’utilizzo della sola luminosità a raggi X come di solito avveniva per i precedenti candidati IMBH“, ha detto Lin. “Il motivo per cui possiamo usare gli adattamenti spettrali per stimare la massa IMBH per il nostro oggetto è che la sua evoluzione spettrale ha mostrato che è avvenuta nello stato spettrale termico, uno stato comunemente visto e ben compreso“.

Questo oggetto non è il primo ad essere considerato un probabile candidato per un buco nero di massa intermedia. Nel 2009 Hubble ha collaborato con l’osservatorio Swift della NASA e l’XMM-Newton dell’ESA per identificare ciò che viene interpretato come un IMBH, chiamato HLX-1, situato verso il bordo della galassia ESO 243-49. Anch’esso è al centro di un giovane, massiccio ammasso di stelle blu che potrebbe essere un nucleo di galassia nana lacerato. 

I raggi X provengono da un disco di accrescimento caldo attorno al buco nero. “La differenza principale è che il nostro oggetto sta facendo a pezzi una stella, fornendo una prova evidente che si tratta di un enorme buco nero, invece di un buco nero di massa stellare“, ha detto Lin.

Capire l’evoluzione dei buchi neri

La conferma di un buco nero di classe media apre la porta alla ricerca di molti altri candidati che si celano all’interno delle galassie. «Studiare l’origine e l’evoluzione dei buchi neri di massa intermedia – conclude Nathalie Webb autrice dello studio-  fornirà finalmente una risposta sui processi di formazione dei buchi neri supermassicci».

Trovare questo IMBH apre la porta alla possibilità di molti altri in agguato non rilevati nel buio, in attesa di essere regalati da una stella che passa troppo vicino. Lin intende continuare il suo meticoloso lavoro investigativo, usando i metodi grazie ai quali la sua squadra ha avuto successo. Molte domande rimangono a cui rispondere. Un buco nero supermassiccio cresce da un IMBH? Come si formano gli IMBH stessi? I densi ammassi stellari sono la loro casa preferita?

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