Un team di astronomi ha finalmente risolto l’enigma del sistema binario di buchi neri più pesante dell’Universo, situato nella galassia ellittica B2 0402+379, aprendo nuove frontiere nella nostra comprensione del cosmo.
Buchi neri: comprendere come si è formato il sistema binario
Il team ha utilizzato i dati del telescopio Gemini North alle Hawaii, metà dell’Osservatorio Internazionale Gemini gestito dal NOIRLab della NSF, finanziato dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, per analizzare un buco nero supermassiccio situato all’interno della galassia ellittica B2 0402+379. Si tratta dell’unico sistema binario di buchi neri supermassicci mai risolto in modo sufficientemente dettagliato da poter vedere entrambi gli oggetti separatamente, e detiene il record di separazione più vicina mai misurata direttamente: soli 24 anni luce.
Anche se questa stretta separazione preannuncia una potente fusione, ulteriori studi hanno rivelato che la coppia è rimasta bloccata a questa distanza per oltre tre miliardi di anni. Questo solleva un enigma: perché i due buchi neri non si sono ancora fusi?
Per comprendere meglio le dinamiche di questo sistema binario di buchi neri supermassicci e la sua fusione interrotta, il team di astronomi ha esaminato i dati d’archivio del Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) di Gemini North.
Grazie all’eccellente sensibilità di GMOS, gli scienziati sono stati in grado di mappare le velocità crescenti delle stelle man mano che ci si avvicinano al centro della galassia.
Roger Romani, Professore di fisica all’Università di Stanford e coautore dell’articolo ha dichiarato: “L’aumento di velocità è causato dall’enorme attrazione gravitazionale dei buchi neri. Conoscendo la velocità delle stelle, possiamo dedurre la massa totale dei buchi neri che risiedono al centro della galassia”.
Lo studio ha rivelato che la massa totale dei due buchi neri è di circa 28 miliardi di volte la massa del Sole, qualificando la coppia come il buco nero binario più pesante mai misurato. Questa misurazione non solo fornisce un contesto prezioso alla formazione del sistema binario e alla storia della galassia che lo ospita, ma supporta la teoria di lunga data secondo cui la massa di un buco nero binario supermassiccio svolge un ruolo chiave nello stallo di una potenziale fusione.
La sfida del sistema binario dei buchi neri
Martin Still, direttore del programma NSF per l’Osservatorio Internazionale Gemini, ha affermato: “L’archivio dati al servizio dell’Osservatorio Internazionale Gemini racchiude una miniera d’oro di scoperte scientifiche non ancora sfruttate. Le misurazioni della massa di questo buco nero binario supermassiccio estremo, sono un esempio impressionante del potenziale impatto di una nuova ricerca che esplora questo ricco archivio”.
Gemini contiene una raccolta di dati degli ultimi due decenni da due telescopi gemelli da 8 metri, situati in Hawaii e in Cile. Questi includono immagini, spettri e altre informazioni su una vasta gamma di oggetti celesti, tra cui stelle, galassie, buchi neri e supernovae.
Comprendere come si è formato il sistema binario di buchi neri supermassicci B2 0402+379 può aiutarci a prevedere se e quando si fonderà. Alcuni indizi suggeriscono che la coppia si sia formata attraverso fusioni multiple di galassie.
Il primo indizio prevede che B2 0402+379 sia un “ammasso fossile”. Questo significa che si è formato dalla fusione di stelle e gas di un intero ammasso di galassie in un’unica galassia massiccia.
Il secondo indizio è la presenza di due buchi neri supermassicci con una grande massa combinata. Questo suggerisce che si siano formati dalla fusione tra quelli più piccoli provenienti da diverse galassie. Tuttavia, esistono diverse teorie su come si formano i sistemi binari di buchi neri supermassicci.
A seguito di una fusione galattica, i buchi neri supermassicci non si scontrano frontalmente ma iniziano a lanciarsi l’uno accanto all’altro mentre si stabiliscono in un’orbita delimitata. Ad ogni passaggio effettuato, l’energia viene trasferita dai buchi neri alle stelle circostanti.
Man mano che perdono energia, la coppia viene trascinata sempre più vicino fino a quando non si trovano a soli anni luce di distanza, dove la radiazione gravitazionale prende il sopravvento e si fondono. Questo processo è stato osservato direttamente in coppie di buchi neri di massa stellare – il primo caso mai registrato è stato nel 2015 tramite il rilevamento di onde gravitazionali – ma mai in un sistema binario di tipo supermassiccio.
Con le nuove conoscenze sulla massa estremamente grande del sistema, il team ha concluso che sarebbe stato necessario un numero eccezionalmente elevato di stelle per rallentare l’orbita del sistema binario abbastanza da portarle così vicine. Nel processo, i buchi neri sembrano aver espulso quasi tutta la materia nelle loro vicinanze, lasciando il nucleo della galassia affamato di stelle e gas. Senza più materiale disponibile per rallentare ulteriormente l’orbita della coppia, la loro fusione è giunta alle fasi finali.
La mancata fusione della coppia di buchi neri
Romani ha spiegato: “Normalmente sembra che le galassie con coppie di buchi neri più leggeri abbiano abbastanza stelle e massa per farli avvicinare rapidamente. Poiché questa coppia è così pesante, ha richiesto molte stelle e gas per portare a termine il lavoro, ma il sistema binario ha ripulito la galassia centrale da tale materia, lasciandola bloccata e accessibile per il nostro studio”.
Se la coppia supererà la stagnazione e alla fine si fonderà su scale temporali di milioni di anni, o continuerà per sempre nel limbo orbitale, è ancora da determinare. Se si fondessero, le onde gravitazionali risultanti sarebbero cento milioni di volte più potenti di quelle prodotte dalle fusioni di buchi neri di massa stellare. È possibile che la coppia possa conquistare quella distanza finale attraverso un’altra fusione galattica, che inietterebbe nel sistema materiale aggiuntivo, o potenzialmente un terzo buco nero, per rallentare l’orbita della coppia abbastanza da fondersi. Tuttavia, dato lo status di B2 0402+379 come ammasso fossile, un’altra fusione galattica è improbabile.
Tirth Surti, studente universitario di Stanford e autore principale dello studio pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal, ha concluso: “Non vediamo l’ora di proseguire le indagini sul nucleo di B2 0402+379 in cui esamineremo la quantità di gas presente. Questo dovrebbe darci maggiori informazioni sulla possibilità che i buchi neri supermassicci possano eventualmente fondersi o se rimarranno bloccati come un sistema binario”.
