Utilizzo dei dati d'archivio del telescopio Gemelli Nord, gli astronomi hanno misurato la coppia di buchi neri supermassicci più pesante mai trovata. La fusione di due buchi neri supermassicci è un fenomeno da tempo previsto, ma mai osservato. Questa enorme coppia fornisce indizi sul motivo per cui un simile evento sembra improbabile nell’universo.
Quasi ogni galassia massiccia contiene al centro un buco nero supermassiccio. Quando due galassie si fondono, i loro buchi neri possono formare una coppia binaria, cioè trovarsi in un'orbita legata l'una con l'altra. Si ipotizza che queste coppie binarie siano destinate a fondersi nel tempo, ma ciò non è mai stato osservato. La questione se un simile evento sia possibile è da decenni argomento di dibattito tra gli astronomi.
Gli astronomi hanno utilizzato i dati del telescopio Gemini North alle Hawaii, che è la metà dell'Osservatorio Internazionale Gemini gestito dal NOIRLab dell'Istituto Nazionale di Fisica, per analizzare il buco nero binario supermassiccio situato nella galassia ellittica B2 0402+379. È l’unico buco nero binario supermassiccio che è stato osservato in modo sufficientemente dettagliato da poter osservare entrambi gli oggetti separatamente, e detiene il record per la distanza più breve misurata direttamente, appena 24 anni luce. Anche se una distanza così ravvicinata fa presagire una potente fusione, ulteriori indagini hanno rivelato che la coppia è rimasta bloccata a questa distanza per oltre tre miliardi di anni, il che fa sorgere la domanda: qual è la ragione del ritardo?
Per comprendere meglio le dinamiche di questo sistema e la sua fusione in fase di stallo, il team si è rivolto ai dati di archivio del Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS), che hanno permesso loro di determinare le velocità delle stelle in prossimità dei buchi neri.
"La notevole sensibilità del GMOS ci ha permesso di mappare l'aumento della velocità delle stelle mentre si avvicinano al centro della galassia", ha affermato Roger Romani, professore di fisica alla Stanford University e coautore dell'articolo. "Grazie a questo, siamo stati in grado di trarre una conclusione sulla massa totale dei buchi neri presenti."
Il team stima che la massa del buco nero binario sia 28 miliardi di volte quella del Sole, rendendo la coppia il buco nero binario più pesante mai misurato. Questa misurazione non solo fornisce un contesto prezioso per la formazione del sistema binario e la storia della galassia che lo ospita, ma conferma anche la teoria di lunga data secondo cui la massa di un buco nero binario supermassiccio svolge un ruolo chiave nel frenare una potenziale fusione.
"L'archivio dati dell'Osservatorio Internazionale Gemini contiene una miniera d'oro di scoperte scientifiche non ancora sfruttate", ha affermato Martin Still, direttore del programma NSF per l'Osservatorio Internazionale Gemini. “Misurare la massa di questo buco nero binario supermassiccio è un esempio lampante del potenziale impatto di una nuova ricerca che esamina questo ricco archivio”.
Comprendere come si è formata questa coppia può aiutare a prevedere se e quando si fonderà: diversi indizi indicano che la coppia si è formata dalla fusione di più galassie. Innanzitutto, B2 0402+379 è un "ammasso fossile", cioè il risultato della fusione di stelle e gas di un intero ammasso di galassie in un'unica galassia massiccia. Inoltre, la presenza di due buchi neri supermassicci, combinata con la loro grande massa combinata, suggerisce che si siano formati dalla fusione di diversi buchi neri più piccoli provenienti da galassie diverse.
Dopo una fusione galattica, i buchi neri supermassicci non si scontrano frontalmente. Invece, iniziano a sorvolarsi l'uno accanto all'altro, stabilendosi in un'orbita limitata. Ad ogni passaggio, l'energia viene trasferita dai buchi neri alle stelle circostanti. Perdendo energia, la coppia si avvicina sempre di più fino a quando non si trovano ad anni luce di distanza, dove la radiazione gravitazionale prende il sopravvento e i due si fondono. Questo processo è stato osservato direttamente in coppie di buchi neri di massa stellare – il primo caso è stato registrato nel 2015 grazie alla rilevazione di onde gravitazionali – ma non è mai stato osservato nei sistemi binari supermassicci.
Con le nuove conoscenze sulla massa estremamente grande del sistema, il team ha concluso che sarebbe necessario un numero estremamente elevato di stelle per rallentare l'orbita del sistema binario abbastanza da avvicinarle. Nel processo, i buchi neri sembrano aver espulso quasi tutta la materia attorno a loro, lasciando il nucleo galattico privo di stelle e gas. Senza più materiale per rallentare ulteriormente l'orbita della coppia, la loro fusione si è bloccata nelle fasi finali.
"Le galassie con coppie di buchi neri più leggeri di solito sembrano avere abbastanza stelle e massa per convergere rapidamente", dice Romani. “Poiché questa coppia è così pesante, ha bisogno di molte stelle e gas per portare a termine il lavoro. Ma il sistema binario ha ripulito la galassia centrale da tale materia, lasciandola congelata e disponibile per il nostro studio."
Resta da vedere se supereranno la stagnazione e alla fine si fonderanno in milioni di anni, o rimarranno per sempre nel limbo orbitale. Se si fondessero, le onde gravitazionali risultanti sarebbero 100 milioni di volte più potenti di quelle prodotte dalla fusione di buchi neri di massa stellare.
È possibile che la coppia possa superare questa distanza finale attraverso un'altra fusione galattica, che immetterebbe ulteriore materiale nel sistema, o forse un terzo buco nero, per rallentare l'orbita della coppia abbastanza da permetterle di fondersi. Tuttavia, dato lo status di B2 0402+379 come ammasso fossile, è improbabile una nuova fusione galattica.
"Non vediamo l'ora di condurre ulteriori studi sul nucleo di B2 0402+379, dove vedremo quanto gas contiene", ha detto Tirth Surti, uno studente laureato di Stanford e autore principale dell'articolo. “Questo ci darà maggiori informazioni sulla possibilità che i buchi neri supermassicci possano fondersi nel tempo o se rimarranno come un sistema binario”.
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