Space Jaws: il buco nero vagante che divora stelle a 600 milioni di anni luce

Come in una sequenza di un film di fantascienza, gli astronomi, scrutando le profondità cosmiche attraverso i telescopi della NASA, hanno portato alla luce un fenomeno soprannominato Space Jaws. A una distanza di 600 milioni di anni luce, nell’oscurità inchiostrata tra le stelle, si cela un predatore invisibile, un buco nero vagante che inghiotte senza pietà qualsiasi stella sfortunata osi avvicinarsi troppo.

La presenza di questo subdolo divoratore è stata rivelata da un evento di distruzione mareale (TDE) di recente identificazione, in cui una stella ignara è stata dilaniata e consumata in una spettacolare esplosione di radiazioni.

Space Jaws: un evento di distruzione mareale illumina un predatore cosmico

Questi eventi di distruzione mareale rappresentano potenti strumenti per sondare la fisica dei buchi neri. Essi svelano le condizioni necessarie per l’emissione di getti e venti nel momento in cui un buco nero è impegnato nel divorare una stella, manifestandosi ai telescopi come oggetti celesti estremamente luminosi. Il nuovo TDE, designato AT2024tvd, ha permesso agli astronomi di localizzare un buco nero supermassiccio inusualmente errante grazie alle osservazioni del telescopio spaziale Hubble della NASA, supportate da dati simili provenienti dall’osservatorio a raggi X Chandra della NASA e dal telescopio Very Large Array dell’NRAO. Queste osservazioni hanno concordemente indicato che il buco nero si trova spostato rispetto al centro della sua galassia ospite.

Questo buco nero, con una massa stimata di un milione di volte quella del nostro Sole, non risiede esattamente nel cuore della sua galassia, la tipica dimora dei buchi neri supermassicci, ma sta attivamente consumando la materia circostante. Tra i circa cento eventi di distruzione mareale registrati finora dalle survey ottiche del cielo, AT2024tvd rappresenta la prima identificazione di un TDE avvenuto in una posizione decentrata rispetto al nucleo galattico. Tutti gli altri eventi osservati in precedenza erano associati ai buchi neri centrali delle rispettive galassie.

Infatti, al centro della galassia ospite di AT2024tvd si annida un altro buco nero supermassiccio, con una massa impressionante pari a cento milioni di volte quella del Sole. La straordinaria precisione ottica del telescopio Hubble ha rivelato che l’evento di distruzione mareale si è verificato a una distanza di soli 2.600 anni luce da questo buco nero centrale molto più massiccio. Questa distanza è sorprendentemente breve, rappresentando solo un decimo della separazione tra il nostro Sole e il buco nero supermassiccio situato nel cuore della Via Lattea.

Un nucleo galattico attivo e un vagabondo stellare

Il buco nero più massiccio al centro della galassia ospite emette una notevole quantità di energia mentre attrae e inghiotte il gas circostante, classificandosi come un nucleo galattico attivo. Questi due buchi neri supermassicci coesistono all’interno della stessa galassia, ma non sono legati gravitazionalmente l’uno all’altro, come accade in un sistema binario. Sebbene sia possibile che il buco nero più piccolo possa in futuro spiraleggiare verso il centro galattico per fondersi con il suo omologo più grande, al momento la distanza che li separa è eccessiva per instaurare un legame gravitazionale significativo.

Un evento di distruzione mareale (TDE) si verifica quando una stella, deviando troppo vicino a un buco nero, viene stiracchiata e letteralmente “spaghettificata” dalle intense forze mareali gravitazionali del gigante oscuro. I frammenti stellari risultanti vengono trascinati in un’orbita vorticosa attorno al buco nero, generando onde d’urto e deflussi di materia ad altissime temperature, fenomeni che si manifestano come emissioni luminose rilevabili nello spettro ultravioletto e visibile.

“AT2024tvd è il primo TDE decentrato catturato dalle survey ottiche del cielo e apre nuove prospettive per la scoperta di questa elusiva popolazione di buchi neri vaganti grazie alle future osservazioni del cielo“, ha dichiarato Yuhan Yao, autore principale dello studio presso l’Università della California a Berkeley: “Al momento, i teorici non hanno dedicato molta attenzione ai TDE decentrati. Credo che questa scoperta stimolerà gli scienziati a cercare ulteriori esempi di questo tipo di evento”.

Il buco nero “divoratore di stelle” si è rivelato quando diversi telescopi terrestri dedicati all’osservazione del cielo hanno registrato un improvviso e intenso brillamento luminoso, inizialmente scambiato per una supernova. A differenza di un’esplosione stellare, gli astronomi hanno compreso che si trattava di un buco nero che stava consumando una stella grazie alle caratteristiche uniche del brillamento: temperature elevatissime e la presenza di ampie linee di emissione di idrogeno, elio, carbonio, azoto e silicio nel suo spettro luminoso. La Zwicky Transient Facility presso l’Osservatorio Palomar del Caltech, con il suo telescopio da 1,2 metri che scruta l’intero cielo boreale ogni due giorni, è stata la prima a intercettare questo evento cosmico.

“Gli eventi di distruzione mareale sono estremamente promettenti per rivelare la presenza di buchi neri massicci che altrimenti non saremmo in grado di rilevare“, ha affermato Ryan Chornock, professore associato presso l’UC Berkeley e membro del team ZTF: “I teorici hanno ipotizzato l’esistenza di una popolazione di buchi neri massicci situati lontano dai centri delle galassie, e ora possiamo utilizzare i TDE per individuarli”.

Il brillamento osservato appariva chiaramente decentrato rispetto al nucleo di una galassia massiccia e luminosa, catalogata da Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), Sloan Digital Sky Survey e DESI Legacy Imaging Survey. Per confermare in modo definitivo la sua posizione non centrale, il team guidato da Yao ha utilizzato l’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, ottenendo la prova che anche le emissioni di raggi X provenienti dal sito del brillamento erano significativamente spostate dal centro galattico.

Infine, è stata la straordinaria risoluzione spaziale del telescopio Hubble a dissipare ogni residua incertezza. La sensibilità di Hubble alla luce ultravioletta ha inoltre permesso di localizzare con precisione la posizione del TDE, che appariva notevolmente più blu rispetto al resto della galassia ospite.

L’enigma del buco nero vagante: un nomade cosmico nel cuore galattico

Il buco nero responsabile dello spettacolare evento di distruzione mareale si aggira nelle regioni centrali, all’interno del bulbo della sua galassia ospite. Questo elusivo predatore cosmico si manifesta alla nostra osservazione solo a intervalli di decine di migliaia di anni, in un breve e violento rigurgito di energia emesso dopo aver catturato e divorato una stella incauta. Dopodiché, ritorna al suo silenzio cosmico, in attesa del suo prossimo, sfortunato pasto.

Come ha fatto questo buco nero a ritrovarsi lontano dal centro galattico, la sua naturale dimora? Precedenti studi teorici hanno suggerito che i buchi neri possono essere espulsi dai nuclei galattici a seguito di violente interazioni a tre corpi, un processo in cui l’oggetto con la massa inferiore viene scagliato via. Questa potrebbe essere una spiegazione plausibile nel caso di Space Jaws, data la sua relativa vicinanza al buco nero centrale molto più massiccio. “Se il buco nero ha subito una tripla interazione con altri due buchi neri nel nucleo della galassia, può comunque rimanere legato alla galassia, orbitando attorno alla regione centrale“, ha ipotizzato Yao.

Un’ipotesi alternativa suggerisce che questo buco nero vagante sia il residuo superstite di una galassia più piccola che si è fusa con la galassia ospite attuale miliardi di anni fa. In questo scenario, il buco nero “vagabondo” potrebbe alla fine spiraleggiare lentamente verso il centro galattico per fondersi con il buco nero attivo centrale in un futuro cosmico lontano. Pertanto, al momento, gli astronomi non sono ancora in grado di determinare se questo buco nero si stia avvicinando al centro galattico o se ne stia allontanando.

Erica Hammerstein, un’altra ricercatrice post-dottorato dell’Università della California a Berkeley, ha analizzato meticolosamente le immagini di Hubble nell’ambito di questa ricerca, ma non ha trovato prove dirette di una fusione galattica avvenuta in un passato recente. Tuttavia, ha sottolineato: “Esistono già solide prove che le fusioni galattiche aumentino i tassi di TDE, ma la presenza di un secondo buco nero nella galassia ospite di AT2024tvd significa che a un certo punto del passato di questa galassia deve essersi verificata una fusione“. Questa osservazione suggerisce un legame profondo tra gli eventi cosmici violenti e la dinamica dei buchi neri all’interno delle galassie.

Lo studio è disponibile sul server di preprint arXiv.