Buco nero solitario: svelato il 1° vagabondo cosmico

Per la prima volta nella storia dell’astronomia osservativa, è stata confermata l’esistenza di un buco nero solitario, un oggetto celeste enigmatico che vaga isolato attraverso le vaste distese del cosmo, privo della compagnia di una stella o di un altro corpo celeste significativo.

Questa scoperta epocale, giunta al culmine di un’intensa attività di osservazione e di un’analisi meticolosa dei dati raccolti, ha finalmente rivelato l’identità di un oggetto oscuro a lungo ipotizzato, aprendo nuove prospettive sulla demografia e sull’evoluzione dei buchi neri nella nostra galassia.

Caratteristiche di un eremita cosmico: nassa, distanza e moto del buco nero solitario

Le analisi approfondite dei dati osservativi hanno permesso di determinare con notevole precisione le caratteristiche fisiche di questo buco nero solitario. Si è stabilito che possiede una massa pari a circa 7,15 volte quella del nostro Sole, collocandolo nella categoria dei buchi neri di massa stellare, formatisi dal collasso gravitazionale di stelle massicce al termine della loro esistenza. La sua posizione è stata localizzata a una distanza considerevole dalla Terra, stimata in circa 4.958 anni luce. Inoltre, gli scienziati hanno misurato la sua velocità di moto nello spazio, che si aggira intorno ai 51 chilometri al secondo (equivalenti a 32 miglia al secondo).

La vera singolarità di questa scoperta risiede nel fatto che questo buco nero rappresenta il primo caso accertato di un buco nero solitario orbitante all’interno della nostra galassia, la Via Lattea. La stragrande maggioranza dei buchi neri di massa stellare finora individuati sono stati scoperti in sistemi binari, ovvero in coppia con una stella compagna. In questi sistemi, la presenza del buco nero, di per sé invisibile, viene inferita attraverso le perturbazioni gravitazionali che esercita sul moto orbitale della sua compagna stellare, manifestandosi come strane oscillazioni nella sua luminosità o nel suo spettro.

Al di là dei sistemi binari stellari, l’astronomia delle onde gravitazionali ha permesso di identificare coppie di buchi neri ancora più distanti, spesso in procinto di fondersi. Questi eventi cataclismatici generano intense increspature nel tessuto dello spazio-tempo, le onde gravitazionali, che possono essere rilevate da sofisticati interferometri terrestri. Lo studio di queste fusioni di buchi neri massicci fornisce informazioni preziose sulla loro formazione ed evoluzione in ambienti cosmici densi.

In assenza di una compagna stellare la cui dinamica orbitale potesse rivelarne la presenza, questo buco nero solitario si è manifestato attraverso un meccanismo completamente diverso e affascinante, noto come microlensing gravitazionale. Questo fenomeno si verifica quando un oggetto massiccio, come un buco nero, transita casualmente davanti a una stella più distante lungo la nostra linea di vista. L’intensa gravità dell’oggetto in primo piano deforma il tessuto dello spazio-tempo circostante, agendo come una lente cosmica che piega e focalizza la luce proveniente dalla stella sullo sfondo.

Questo effetto si traduce in un temporaneo aumento della luminosità apparente della stella di fondo e in un leggero spostamento della sua posizione nel cielo. L’analisi dettagliata della curva di luce di questo evento di microlensing ha permesso agli astronomi di inferire la presenza e le caratteristiche del buco nero solitario, aprendo una nuova finestra sull’esplorazione degli oggetti oscuri che popolano la nostra galassia.

Le prime luci sull’evento di microlensing: un doppio sguardo cosmico

Sebbene le caratteristiche dedotte dall’evento di microlensing, in particolare la massa stimata dell’oggetto lente e la completa assenza di emissione luminosa propria, fornissero fin da subito forti indizi sulla natura di buco nero dell’oggetto, il percorso che ha condotto alla sua definitiva identificazione non è stato lineare e ha richiesto un’analisi rigorosa e la risoluzione di interpretazioni contrastanti. La natura elusiva di un oggetto che si manifesta unicamente attraverso la sua influenza gravitazionale ha reso necessaria una meticolosa opera di raccolta dati e di interpretazione teorica.

La prima apparizione di questo singolare evento cosmico risale ai dati raccolti nel 2011 da due distinti progetti di ricerca astronomica specificamente dedicati alla rilevazione di fenomeni di microlensing gravitazionale: l’Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) e il Microlensing Observations in Astrophysics (MOA).

Entrambe queste survey, operando da osservatori terrestri, hanno registrato la caratteristica variazione di luminosità di una stella di fondo, indicativa del transito di un oggetto massiccio invisibile lungo la linea di vista, un segnale primario della microlente gravitazionale. La coincidenza della rilevazione da parte di due esperimenti indipendenti ha immediatamente conferito una maggiore robustezza all’evento osservato, incentivando ulteriori indagini.

Successivamente, il telescopio spaziale Hubble, con la sua straordinaria risoluzione angolare e la capacità di effettuare osservazioni precise al di fuori dell’interferenza atmosferica terrestre, ha giocato un ruolo cruciale nel determinare con maggiore accuratezza il grado di deformazione della luce stellare causato dall’oggetto lente. Nel corso di sei anni, Hubble ha condotto ben otto osservazioni mirate all’evento di microlensing, raccogliendo dati fotometrici da sedici diversi telescopi terrestri che operavano simultaneamente.

Inoltre, sono state effettuate osservazioni spettroscopiche nel momento di massima amplificazione della luce della stella di fondo, fornendo informazioni aggiuntive sulla natura dell’oggetto interposto. L’analisi combinata di questa ricchezza di dati ha inizialmente condotto a una stima delle proprietà del buco nero solitario, suggerendo una massa di circa 7,1 masse solari e una distanza di circa 5.153 anni luce dalla Terra.

La comunità scientifica ha accolto questi risultati con la dovuta cautela, e nel 2022 un secondo team di ricerca ha condotto una nuova analisi indipendente, utilizzando ulteriori dati raccolti dal telescopio spaziale Hubble. Questa rianalisi ha portato a una conclusione significativamente diversa, raffinando la stima della massa dell’oggetto lente a un valore compreso tra 1,6 e 4,4 masse solari.

Poiché questo intervallo di massa si sovrappone alla regione tipica delle stelle di neutroni, oggetti compatti formati anch’essi dal collasso di stelle massicce ma con una massa inferiore a quella necessaria per formare un buco nero, il team ha proposto che una stella di neutroni potesse rappresentare un candidato più probabile per l’oggetto osservato. Questa interpretazione alternativa ha temporaneamente messo in discussione la precedente identificazione come buco nero, aprendo un dibattito scientifico sulla vera natura dell’oggetto solitario.

Nonostante l’ipotesi alternativa della stella di neutroni, una serie di studi successivi, tra cui un’ulteriore analisi condotta dallo stesso team che aveva inizialmente proposto la stella di neutroni, hanno progressivamente fornito un peso maggiore all’interpretazione del buco nero. Queste nuove analisi, spesso basate su una riconsiderazione dei dati esistenti e sull’applicazione di modelli teorici più sofisticati, hanno rafforzato l’evidenza a favore di una massa dell’oggetto lente che si colloca in modo più robusto nella regione tipica dei buchi neri di massa stellare.

La convergenza di risultati provenienti da diverse analisi indipendenti ha infine portato alla riaffermazione e alla convalida della scoperta di questo buco nero solitario, un risultato significativo che arricchisce la nostra comprensione della popolazione di oggetti compatti nella Via Lattea.

Una nuova analisi consolida la scoperta

Una recente e meticolosa rianalisi dei dati originali dell’evento di microlensing, condotta con la partecipazione di molti degli scienziati che avevano contribuito allo studio iniziale, ha fornito una conferma inequivocabile dell’identità dell’oggetto oscuro come un buco nero solitario di massa stellare. Questa nuova indagine ha integrato tre ulteriori osservazioni effettuate dal telescopio spaziale Hubble, estendendo l’arco temporale complessivo delle osservazioni a ben undici anni, e ha incorporato dati aggiornati provenienti dall’Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE).

Come precisato dal team di ricerca nel proprio articolo scientifico: “La nostra analisi rivista, con l’aggiunta delle osservazioni di Hubble e la fotometria aggiornata, porta a risultati che hanno una maggiore accuratezza ma sono coerenti con le nostre misurazioni precedenti e con la nostra conclusione che la lente è un buco nero di massa stellare“. L’inclusione di un intervallo temporale di osservazione più esteso e di dati fotometrici più raffinati ha permesso di ridurre significativamente le incertezze nelle stime dei parametri fisici dell’oggetto lente, rafforzando la sua identificazione come buco nero.

Uno degli ostacoli maggiori incontrati durante l’osservazione e l’analisi di questo evento di microlensing è stata la presenza di una stella vicina particolarmente luminosa, la cui luce intensa tendeva a oscurare il debole segnale della stella di fondo amplificata dalla lente gravitazionale. Per superare questa difficoltà, gli scienziati hanno dovuto eseguire una sottrazione estremamente accurata della luce interferente per ciascuna delle osservazioni effettuate.

Questo processo delicato ha richiesto una modellizzazione precisa della distribuzione luminosa della stella vicina e una sua rimozione digitale dai dati grezzi. Inoltre, il team ha dovuto tenere in considerazione le sottili variazioni strumentali causate dai diversi ambienti termici che il telescopio Hubble sperimenta durante ogni sua orbita attorno alla Terra, garantendo la massima accuratezza nella calibrazione dei dati fotometrici.

Un aspetto cruciale della nuova analisi è stata la ricerca di eventuali tracce di un compagno stellare in orbita attorno al buco nero solitario. Attraverso un’analisi approfondita dei dati astrometrici e fotometrici, il team non ha rilevato alcuna evidenza di un oggetto di massa superiore a 0,2 masse solari entro una distanza di almeno 2.000 volte la distanza media tra la Terra e il Sole (Unità Astronomica – UA). Questa assenza di un compagno significativo su una scala così vasta rafforza ulteriormente la classificazione di questo buco nero come un vero “solitario” cosmico.

Sebbene questa possa rappresentare la prima conferma inequivocabile di un buco nero solitario individuato attraverso il fenomeno della microlente gravitazionale, gli scienziati ritengono che l’Universo dovrebbe pullulare di questi oggetti invisibili che vagano senza compagni attraverso le galassie. La formazione di buchi neri da stelle singole al termine della loro evoluzione è un processo astrofisico ben consolidato, e non vi è alcuna ragione teorica per cui la maggior parte di essi debba necessariamente trovarsi in sistemi binari.

La rarità della loro individuazione risiede proprio nella loro natura intrinsecamente oscura e nella bassa probabilità che si allineino casualmente con una stella di fondo in modo da produrre un evento di microlensing osservabile dalla Terra. Questa scoperta pionieristica apre nuove prospettive per la ricerca di questa popolazione elusiva di buchi neri solitari, fornendo indizi cruciali sulla loro abbondanza, distribuzione e sul loro ruolo nell’evoluzione galattica.

La ricerca è stata pubblicata su The Astrophysical Journal.