Il buco nero supermassiccio di M87 ruota su se stesso

Il buco nero della galassia M87 mostra un getto oscillante, confermando la sua rotazione, come dedotto da uno studio ventennale in linea con le previsioni della Teoria Generale della Relatività di Einstein

La vicina galassia M87, situata a 55 milioni di anni luce dalla Terra e che ospita un buco nero 6,5 miliardi di volte più massiccio del Sole, mostra un getto oscillante che oscilla su e giù con un’ampiezza di circa 10 gradi, confermando la rotazione del buco nero.

Lo studio, diretto dal ricercatore cinese Yuzhu Cui e pubblicato su Nature il 27 settembre scorso, è stato condotto da un team internazionale utilizzando una rete globale di radiotelescopi.

Attraverso un’analisi approfondita dei dati raccolti dai telescopio dal 2000 al 2022, il gruppo di ricerca ha individuato un ciclo ricorrente di 11 anni nel movimento precessionale della base del getto, come previsto dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein. Lo studio collega la dinamica del getto con il buco nero supermassiccio centrale, provando che il buco nero di M87 ruota su se stesso.

Fenomeni di buco nero supermassiccio

I buchi neri supermassicci al centro delle galassie attive – gli oggetti celesti più dirompenti del nostro universo – possono accumulare enormi quantità di materiale a causa della straordinaria forza gravitazionale e della potenza dei getti di plasma che si avvicinano alla velocità della luce e si estendono per migliaia di anni luce.

Il meccanismo di trasferimento di energia tra i buchi neri supermassicci, i loro dischi di accrescimento e i getti relativistici ha lasciato a lungo perplessi fisici e astronomi. Una teoria prevalente suggerisce che da un buco nero rotante può essere estratta energia, consentendo al materiale che circonda il buco nero supermassiccio di essere espulso a grande velocità. Tuttavia, la rotazione dei buchi neri supermassicci, un fattore cruciale in questo processo e il parametro più fondamentale oltre alla massa del buco nero, non era ancora stata osservata direttamente.

Struttura del jet M87 migliore adattamento
Pannello superiore: struttura del jet M87 a 43 GHz basata su dati di stacking biennali osservati dal 2013 al 2018. Le frecce bianche indicano l’angolo di posizione del getto in ciascuna sottotrama. Pannello inferiore: risultati meglio adattati in base all’immagine impilata annuale dal 2000 al 2022. I punti verdi e blu sono stati ottenuti rispettivamente da osservazioni a 22 GHz e 43 GHz. La linea rossa rappresenta la soluzione migliore secondo il modello di precessione. Credito: Yuzhu Cui et al., 2023

In questo studio, il gruppo di ricerca si è concentrato su M87, dove nel 1918 fu osservato per la prima volta un getto astrofisico. Grazie alla sua vicinanza, le regioni di formazione del getto vicino al buco nero possono essere risolte in dettaglio con il Very Long Baseline Interferometry (VLBI), come rappresentato dalla recente imaging dell’ombra del buco nero con l’Event Horizon Telescope (EHT). Analizzando i dati VLBI di M87 ottenuti negli ultimi 23 anni, il team ha rilevato il getto precessionale periodico alla sua base, offrendo informazioni sullo stato del buco nero centrale.

Dinamica e relatività dei buchi neri

Al centro di questa scoperta c’è la domanda cruciale: quale forza nell’universo può alterare la direzione di un getto così potente? La risposta potrebbe nascondersi nel comportamento del disco di accrescimento, una configurazione legata al buco nero supermassiccio centrale.

Mentre i materiali in caduta orbitano attorno al buco nero, a causa del loro momento angolare formano una struttura a forma di disco prima di spiraleggiare gradualmente verso l’interno finché non vengono fatalmente attirati nel buco nero. Tuttavia, se il buco nero ruota su se stesso, esercita un impatto significativo sullo spaziotempo circostante, provocando il trascinamento degli oggetti vicini lungo il suo asse di rotazione, un fenomeno noto come “frame-dragging”, previsto dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein.

L’analisi approfondita del gruppo di ricerca indica che l’asse di rotazione del disco di accrescimento si disallinea con l’asse di rotazione del buco nero, portando a un getto precessionale. Il rilevamento di questa precessione fornisce la prova inequivocabile che il buco nero supermassiccio in M87 sta effettivamente ruotando, migliorando così la nostra comprensione della natura dei buchi neri supermassicci.

Siamo entusiasti di questa scoperta”, ha affermato Yuzhu Cui, ricercatore post-dottorato presso lo Zhejiang Lab, un istituto di ricerca di Hangzhou, nonché autore principale dell’articolo. “Poiché il disallineamento tra il buco nero e il disco è relativamente piccolo e il periodo di precessione è di circa 11 anni, l’accumulo di dati ad alta risoluzione che tracciano la struttura di M87 nell’arco di due decenni e un’analisi approfondita sono stati essenziali per ottenere questo risultato”.

Dopo il successo dell’imaging del buco nero in questa galassia con l’EHT, se questo buco nero stia ruotando o meno è stata una preoccupazione centrale tra gli scienziati”, ha aggiunto il dottor Kazuhiro Hada dell’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone. “Ora l’attesa si è trasformata in certezza. Questo mostruoso buco nero sta davvero ruotando”.

Se, da un lato, questo studio fa luce sul misterioso mondo dei buchi neri supermassicci, dall’altro presenta anche sfide formidabili. La struttura del disco di accrescimento e il valore esatto della rotazione del buco nero supermassiccio M87 sono ancora altamente incerti. Questo lavoro prevede inoltre che ci saranno più fonti con questa configurazione, sfidando così gli scienziati a scoprirle.

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