Utilizzando i dati della missione di astrometria Gaia dell’ESA, gli astronomi hanno identificato il buco nero più vicino conosciuto, a meno di 1600 anni luce dalla Terra, e ne hanno determinato la massa.
Il buco nero orbita attorno a una stella simile al nostro Sole ed è stato identificato seguendo la stella attorno alla quale orbita il buco nero. Si prevede che sarà il primo di molti buchi neri ad essere scoperto utilizzando lo stesso metodo. Allo stesso tempo, le proprietà del sistema stellare binario sono inaspettate, indicando una grave lacuna nella comprensione degli astronomi su come si formano tali sistemi in primo luogo.
I buchi neri sono difficili da osservare, per loro definizione: massa concentrata in una regione con un diametro così piccolo che la gravità estremamente forte che ne deriva non lascia sfuggire nulla, nemmeno la luce. Tuttavia, questi oggetti hanno da tempo trovato il loro posto nell’astrofisica. I cosiddetti buchi neri stellari, in particolare, con poche masse solari, sono lo stato finale di stelle molto massicce.
Ora, un gruppo di astronomi guidati da Kareem El-Badry (Max Planck Institute for Astronomy [MPIA] e Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ), ha utilizzato un nuovo metodo per scoprire il buco nero più vicino conosciuto.
Ci sono circa cento milioni di buchi neri stellari nella nostra galassia, la Via Lattea, ma finora ne è stata rilevata solo una piccola frazione. Alcuni sono stati rilevati da rilevatori di onde gravitazionali, che hanno misurato quasi un centinaio di fusioni di buchi neri stellari, fornendo ulteriori dati sulle masse dei buchi neri.
Di quelle poche dozzine di buchi neri stellari che sono stati rilevati utilizzando le osservazioni del telescopio, la maggior parte orbita attorno a una stella compagna abbastanza vicino da consentire alla gravità del buco nero di trascinare il gas idrogeno dalla stella compagna in un cosiddetto disco di accrescimento che circonda il buco nero. Il gas diventa quindi abbastanza caldo durante il processo da emettere quantità considerevoli di raggi X. Esistono 20 “binari a raggi X” noti di questo tipo, con altri 50 oggetti candidati.
Ci sono stati diversi tentativi di trovare anche buchi neri “quiescenti” nei sistemi binari – buchi neri senza un disco che emette raggi X. Lo strumento scelto: gli spettri stellari, la scomposizione arcobaleno della luce stellare, che contengono informazioni sul moto di una stella.
Questo video ingrandisce la Via Lattea fino alla posizione del buco nero stellare “Gaia BH1”, attualmente il buco nero più vicino alla Terra. Dopo essere arrivati sul posto, vediamo l’orbita di una stella simile al Sole attorno a Gaia BH1.
Negli ultimi anni, ci sono state diverse affermazioni di scoperte di buchi neri quiescenti che hanno cercato di dedurre l’orbita di un binario e la massa di un compagno invisibile esclusivamente dagli spettri stellari. Tuttavia, tutti tranne uno (la scoperta del sistema binario VFTS 243 nel giugno 2022, con El-Badry come coautore), sono stati da allora contestati o addirittura confutati da studi successivi. Il problema chiave: gli spettri forniscono solo una parte delle informazioni sul moto stellare, e quindi sull’orbita e sulla massa della compagna. Le informazioni mancanti sono una fonte fondamentale di incertezza ed è anche qui che la missione Gaia dell’ESA promette aiuto.
Per alcuni anni, c’è stata la speranza che la missione di astrometria Gaia dell’ESA aprisse un nuovo modo di rilevare e caratterizzare i buchi neri nei sistemi stellari binari, fornendo informazioni complementari a quelle fornite dagli spettri stellari. Gaia è progettato per misurazioni ultra precise della posizione stellare. Ciò include la capacità di rilevare il movimento di una stella visibile nel cielo e da ciò dedurre la presenza di una compagna invisibile.
Questo tipo di binario contenente un buco nero sarebbe comunque molto raro, rispetto al numero complessivo di binari. Ecco perché, in questo caso, la portata di Gaia è tanto importante quanto l’accuratezza dell’indagine: dati di alta qualità per più di centomila sistemi binari offrono una buona possibilità di trovare l’ago nel pagliaio, il buco nero binario tra i molti binari ordinari.
Quando la versione 3 dei dati di Gaia (Gaia DR3), la prima a contenere i dati orbitali per i sistemi binari rilevati con Gaia, è stata pubblicata a metà giugno 2022, Kareem El-Badry, insieme al direttore dell’MPIA Hans-Walter Rix e ai loro colleghi, ha impostato direttamente sulla vagliatura dei dati per i probabili candidati. Generalmente, quando due oggetti in un sistema binario orbitano l’uno intorno all’altro, tracciano ciascuno una minuscola ellisse nel cielo. Gaia DR3 contiene dati per 168.065 di queste minuscole ellissi, o parti di esse.
Applicando criteri di selezione particolarmente adatti a individuare sistemi in cui una stella luminosa viene trascinata in giro da una compagna invisibile con una massa considerevole, i ricercatori hanno ristretto il loro set a sei possibili candidati. Tutti e sei i candidati hanno garantito uno sguardo più attento: con l’aiuto delle informazioni complementari delle misurazioni della velocità radiale derivate dallo spettro della stella, fornendo informazioni sul movimento direttamente verso di noi o lontano da noi.
Il fatto che le velocità radiali e le posizioni di Gaia siano due facce della stessa medaglia, per così dire, consente controlli di coerenza cruciali. Utilizzando i dati spettrali esistenti disponibili negli archivi astronomici, gli astronomi sono stati in grado di escludere immediatamente tre dei sei candidati. In quei casi, i dati disponibili sulla velocità radiale contraddicevano nettamente la ricostruzione di Gaia dell’orbita binaria.
Un altro candidato potrebbe essere escluso dal cattivo adattamento dei dati di Gaia all’orbita ricostruita, con un periodo orbitale così lungo che Gaia non avrebbe dovuto essere in grado di misurarlo in primo luogo. Un quinto candidato è ancora allo studio, in attesa di ulteriori misure spettrali.
Il candidato rimanente, Gaia DR3 4373465352415301632, che i ricercatori hanno soprannominato “Gaia BH1”, si adattava molto bene al progetto: tutti i dati disponibili erano coerenti. Per maggiore certezza, gli astronomi hanno anche effettuato ulteriori osservazioni mirate di Gaia BH1: con il telescopio Magellan Clay da 6,5 m, il telescopio Gemini-North da 8,1 m, il telescopio Keck I da 10 m e, per la parte del leone dei nuovi punti dati, il telescopio Telescopio ESO /MPG da 2,2 m che MPIA gestisce presso l’Osservatorio di La Silla dell’ESO.
La ricostruzione orbitale ha retto. Gaia BH1 è un sistema con un oggetto invisibile con una massa di circa 10 masse solari in orbita attorno a una stella molto simile al nostro Sole una volta ogni 185,6 giorni. La distanza tra stella e compagna è all’incirca uguale alla distanza media Terra-Sole. Se l’oggetto di 10 masse solari fosse un’altra stella, sarebbe necessariamente molto più luminoso della sua compagna. Invece, né Gaia né le successive osservazioni mostrano alcuna traccia di una seconda stella.
Questo rende Gaia BH1 un eccellente candidato per un buco nero – e ad una distanza di circa 1560 anni luce, di gran lunga il buco nero più vicino alla Terra che gli astronomi abbiano mai trovato, a meno della metà della distanza del precedente detentore del record.
I dati di Gaia sono stati cruciali per la nuova scoperta. El-Badry ha dichiarato: “Centinaia di ricercatori hanno lavorato per produrre i prodotti di dati che abbiamo usato per trovare il buco nero Gaia BH1. Questa scoperta non appartiene solo a noi, ma alla collaborazione Gaia”.
Statisticamente parlando, la vicinanza implica che dovrebbero esserci numerosi sistemi simili in tutta la galassia. Dare un numero ai preciso è difficile. Ma El-Badry e i suoi colleghi hanno una stima abbastanza buona che il prossimo grande rilascio di dati di Gaia, DR4, attualmente previsto non prima della fine del 2025, dovrebbe consentire la scoperta di dozzine di sistemi simili.
Ripensando alla scoperta, Kareem El-Badry ha affermato: “Ho cercato un sistema come Gaia BH1 negli ultimi quattro anni, provando tutti i tipi di metodi, ma nessuno di loro ha funzionato. È stato esaltante vedere che questa ricerca ha finalmente dato i suoi frutti”.
El-Badry ha aggiunto anche che: “Parte del motivo per cui questo progetto è entusiasmante è che non conoscevamo davvero le nostre possibilità di trovare qualcosa: le previsioni teoriche differivano di molti ordini di grandezza. Avere un oggetto da analizzare è un importante aggiornamento da zero e ora dobbiamo lavorare per imparare tutto ciò che possiamo da esso, preparandoci anche per un campione più ampio nelle future versioni dei dati di Gaia”.
Gaia BH1 è una scoperta spettacolare, ma anche sconcertante. È difficile spiegare come si sia potuto formare un sistema come questo. In particolare, ci si aspetterebbe che la stella progenitrice che in seguito si è trasformata in un buco nero avesse una massa di almeno 20 masse solari, il che significa che la sua vita sarebbe stata molto breve, dell’ordine di pochi milioni di anni. Se entrambe le stelle si fossero formate contemporaneamente, questa stella massiccia si sarebbe trasformata in una supergigante, gonfiandosi e inghiottendo lo spazio ben oltre l’orbita comune delle stelle.
Non è affatto chiaro come la stella di massa solare possa essere sopravvissuta a quell’episodio, finendo per essere apparentemente normale come indicano le osservazioni del buco nero binario. I modelli teorici che consentono la sopravvivenza prevedono tutti che la stella di massa solare dovrebbe essere finita su un’orbita molto più stretta di quanto effettivamente osservato.
Questo lascia scenari di formazione più insoliti. Ad esempio, le due stelle originali potrebbero essersi formate come parte di un ammasso stellare. Inizialmente, sarebbero stati notevolmente più distanti, quindi la fase supergigante della stella massiccia non avrebbe disturbato l’evoluzione della stella di massa solare. Incontri ravvicinati del sistema con stelle aggiuntive nell’ammasso potrebbero in seguito aver modificato l’orbita portandola alla sua attuale dimensione molto più piccola.
In alternativa, il sistema potrebbe infatti avere non due, ma tre componenti: due stelle massicce invece di una, in orbita ravvicinata l’una con l’altra, e la stella con una massa solare che orbita attorno alla coppia massiccia a una distanza maggiore. Le due stelle massicce impedirebbero a vicenda di trasformarsi in supergiganti. In tal caso, l’oggetto di 10 masse solari potrebbe non essere un singolo buco nero, ma una coppia di buchi neri in orbita stretta l’uno intorno all’altro. Poiché quella coppia orbitante eserciterebbe forze gravitazionali leggermente diverse sulla stella di una massa solare, precise osservazioni future potrebbero confermare o escludere tale possibilità.
Tutto sommato, Gaia BH1 è almeno tre cose in una: è un’entusiasmante scoperta del buco nero più vicino conosciuto, meno della metà di qualsiasi buco nero rilevato in precedenza. È una promessa di future scoperte simili che avverranno nei prossimi anni, ma anche un promemoria che fa riflettere sui limiti delle attuali conoscenze astronomiche sulla formazione di sistemi stellari binari o, più in generale, multipli.
Fonte: Royal Astronomical Society
