Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)

Introduzione

Quando due buchi neri si muovono a spirale l’uno intorno all’altro e alla fine si scontrano, generano delle increspature nello spazio e nel tempo chiamate onde gravitazionali. Poiché i buchi neri non emettono luce, non ci si aspetta che questi eventi brillino con onde luminose o radiazioni elettromagnetiche. Il Graduate Center, gli astrofisici del CUNY K. E. Saavik Ford e Barry McKernan hanno ipotizzato modi in cui una fusione dei buchi neri potrebbe esplodere emettendo luce. Ora, per la prima volta, gli astronomi hanno visto le prove di uno di questi scenari che producono luce.

I loro risultati sono disponibili negli attuali numeri di Physical Review Letters.

I rilevamenti di LIGO e VIRGO

Un team composto da scienziati del Graduate Center, CUNY; Zwicky Transient Facility (ZTF) del Caltech; Borough of Manhattan Community College (BMCC); e The American Museum of Natural History (AMNH) ha individuato quello che sembra essere un bagliore di luce proveniente da un paio di buchi neri che si fondono. L’evento (chiamato S190521g) è stato identificato per la prima volta dall’Osservatorio delle onde gravitazionali ad interferometria laser (LIGO) della National Science Foundation (NSF) e dall’European Virgo detector il 21 maggio 2019. Quando i buchi neri si sono fusi, scuotendo spazio e tempo, hanno generato onde gravitazionali. Poco dopo, gli scienziati dello ZTF – che si trova presso l’Osservatorio Palomar vicino a San Diego – hanno rivisto le loro registrazioni dello stesso evento e hanno individuato quello che potrebbe essere un bagliore di luce proveniente dai buchi neri che si fondono.

Al centro della maggior parte delle galassie si annida un buco nero supermassiccio. È circondato da uno sciame di stelle e stelle morte, compresi i buchi neri“, ha detto il coautore dello studio Ford, professore del Graduate Center, BMCC, e AMNH. “Questi oggetti sciamano come api arrabbiate intorno alla mostruosa ape regina presente al centro. Possono brevemente trovare partner gravitazionali e accoppiarsi, ma di solito perdono rapidamente i loro partner a causa della folle danza. Ma nel disco di un buco nero supermassiccio, il gas che scorre converte il mosh pit dello sciame in un classico minuetto, organizzando i buchi neri in modo che possano accoppiarsi“, dice.

Una volta che i buchi neri si fondono, il nuovo buco nero, ora più grande, subisce un calcio che lo manda in una direzione casuale e spinge il gas nel disco. È la reazione del gas a questo proiettile accelerato che crea un chiarore luminoso, visibile con i telescopi“, ha detto il co-autore McKernan, professore di astrofisica del Graduate Center, BMCC, e AMNH.

Questo buco nero supermassiccio ha brontolato per anni prima di questo brillamento più repentino“, ha detto l’autore principale dello studio Matthew Graham, professore di ricerca di astronomia alla Caltech e lo scienziato del progetto per ZTF. “L’eruzione è avvenuta nel giusto lasso di tempo e nella giusta posizione, coincidente con l’evento delle onde gravitazionali. Nel nostro studio, concludiamo che l’eruzione è probabilmente il risultato di una fusione di un buco nero, ma non possiamo escludere completamente altre possibilità“.

ZTF è stato specificamente progettato per identificare nuovi, rari e variabili tipi di attività astronomica come questa“, ha detto il direttore della Divisione di Scienze Astronomiche della NSF, Ralph Gaume. “Il supporto dell’NSF alle nuove tecnologie continua ad espandere il modo in cui possiamo tracciare tali eventi“.

Il flare dopo le onde gravitazionali

Si prevede che un tale brillamento inizi giorni o settimane dopo la propagazione iniziale delle onde gravitazionali prodotte durante la fusione. In questo caso, ZTF non ha catturato subito l’evento, ma quando gli scienziati sono tornati indietro e hanno cercato tra le immagini di archivio ZTF mesi dopo, hanno trovato un segnale che è iniziato giorni dopo l’evento delle onde gravitazionali del maggio 2019. Lo ZTF ha osservato il flare svanire lentamente nell’arco di un mese.

Gli scienziati hanno cercato di ottenere uno sguardo più dettagliato sulla luce del buco nero supermassiccio (lo spettro), ma nel momento in cui hanno guardato, il flare era già svanito. Uno spettro avrebbe offerto un maggiore supporto all’idea che il bagliore provenisse dalla fusione dei buchi neri all’interno del disco del buco nero supermassiccio. Tuttavia, i ricercatori dicono di essere stati in grado di escludere in larga misura altre possibili cause dell’eruzione osservata, tra cui una supernova o un evento di disturbo delle maree, che si verifica quando un buco nero “mangia” una stella.

Un flare spettacolare

Inoltre, il team dice che non è probabile che l’eruzione provenga dai soliti brontolii del buco nero supermassiccio, che si nutre regolarmente del disco circostante. Utilizzando il Catalina Real-Time Transient Survey, condotto dalla Caltech, sono stati in grado di valutare il comportamento del buco nero negli ultimi 15 anni e hanno scoperto che la sua attività era relativamente normale fino al maggio del 2019, quando si è improvvisamente intensificata.

I buchi neri supermassicci come questo hanno sempre dei falres come questo. Non sono oggetti silenziosi, ma i tempi, le dimensioni e la posizione di questo brillamento sono stati spettacolari“, ha detto il coautore Mansi Kasliwal, assistente professore di astronomia alla Caltech. “La ragione per cui la ricerca di flares come questo è così importante è che aiuta enormemente con le problematiche di astrofisica e cosmologia. Se riusciamo a farlo di nuovo e a rilevare la luce delle fusioni di altri buchi neri, allora possiamo saperne di più sulle loro origini“.

Il buco nero appena formato dovrebbe causare un altro bagliore nei prossimi anni. Il processo di fusione ha dato all’oggetto un calcio che dovrebbe far sì che entri di nuovo nel disco del buco nero supermassiccio, producendo un altro lampo di luce che ZTF dovrebbe essere in grado di vedere.

Credits

Il documento, intitolato “A Candidate Electromagnetic Counterpart to the Binary Black Hole Merger Gravitational Wave Event GW190521g”, è stato finanziato da NSF, NASA, Heising-Simons Foundation e dal programma GROWTH (Global Relay of Observatories Watching Transients Happen). Altri co-autori includono: K. Burdge, S.G. Djorgovski, A.J. Drake, D. Duev, A.A. Mahabal, J. Belecki, R. Burruss, G. Helou, S.R. Kulkarni, F.J. Masci, T. Prince, D. Reiley, H. Rodriguez, B. Rusholme, R.M. Smith, tutti del Caltech; N.P. Ross dell’Università di Edimburgo; Daniel Stern del Jet Propulsion Laboratory, gestito dal Caltech per la NASA; M. Coughlin dell’Università del Minnesota; S. van Velzen dell’Università del Maryland, College Park e New York University; E.C. Bellm dell’Università di Washington; S.B. Cenko del NASA Goddard Space Flight Center; V. Cunningham dell’Università del Maryland, College Park; e M.T. Soumagnac del Lawrence Berkeley National Laboratory e del Weizmann Institute of Science.

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