Dopo un enorme sforzo che ha sbalordito il mondo, l’anno scorso la scienza ha svelato la prima immagine diretta di un buco nero, consentendo agli umani di vederne il disco di accrescimento nel quale vorticano polvere cosmica e gas stellari. Ora, gli astronomi hanno usato una tecnica diversa che coinvolge “echi” di raggi X per scrutare ancora più da vicino uno di questi colossi gravitazionali.
Il buco nero che viene messo a fuoco si trova al centro di una galassia chiamata IRAS 13224-3809, che si trova a circa un miliardo di anni luce di distanza. L’oggetto supermassiccio è circondato da un disco vorticoso di materia a temperature di milioni di gradi ed è rivestito da una corona di raggi X con una temperatura superiore a un miliardo di gradi. Tracciando come si comportano questi raggi X, gli scienziati hanno creato una mappa estremamente dettagliata della regione intorno all’orizzonte degli eventi del buco nero, la zona oltre la quale nemmeno la luce può sfuggire.
“I buchi neri non emettono luce, quindi l’unico modo in cui possiamo studiarli è guardare cosa fa la materia mentre ci cade dentro“, afferma William Alston, dell’Università di Cambridge, la cui squadra ha riportato le osservazioni effettuate sulla rivista Nature Astronomy.
Quella ottenuta è una misura molto più precisa di quanto persino il telescopio Event Horizon, che ha prodotto l’immagine del buco nero dell’anno scorso, potrebbe rendere di un oggetto così lontano. Le nuove misurazioni del buco nero di IRAS 13224-3809 hanno aiutato gli scienziati a definire la sua massa e la sua rotazione, proprietà che possono rivelare indizi vitali sull’evoluzione del buco nero. Misurazioni simili fatte su una popolazione più ampia di buchi neri supermassicci più vicini a noi, potrebbero aiutare gli scienziati a imparare di più su come crescono le galassie.
“Comprendere la distribuzione degli spin dei buchi neri in molte galassie ci dice come andiamo dall’universo primordiale alla popolazione che vediamo oggi“, afferma Alston.
Mappatura dell’eco
Nonostante il nome innocuo, IRAS 13224-3809 è una delle galassie più eccitanti nel cielo dei raggi X: è una galassia attiva, il che significa che la sua regione più interna brilla più intensamente di quanto possa essere spiegato dalle sole stelle che la compongono, e sulla sua radiografia la luminosità oscilla di un fattore 50, a volte nell’arco di poche ore. Alston e i suoi colleghi hanno scelto di studiare questa particolare galassia perché volevano una fonte dinamica e fluttuante che potesse aiutarli a inchiodare proprietà specifiche del buco nero supermassiccio centrale.
Per fare ciò, Alston e i suoi colleghi hanno studiato IRAS 13224-3809 * usando il veicolo spaziale XMM-Newton dell’Agenzia spaziale europea, un telescopio orbitale che studia il cosmo ai raggi X; XMM-Newton ha studiato la galassia nel corso di 16 orbite, per un totale di oltre 550 ore, tra il 2011 e il 2016.
Da quelle molte ore di dati, Alston e i suoi colleghi hanno assemblato una mappa della corona a raggi X del buco nero supermassiccio e del suo disco di accrescimento, un anello di materia che vortica appena fuori dall’orizzonte degli eventi. Alcuni dei raggi X emessi si dirigono direttamente nel cosmo, ma altri sbattono nel disco di accrescimento e impiegano un po’ più di tempo per uscire dall’ambiente circostante al buco nero.
“Questa percorso extra provoca un ritardo tra i raggi X prodotti originariamente nella corona“, spiega Alston. “Siamo in grado di misurare l’eco di questo ritardo – che chiamiamo riverbero“.
Questa tecnica, chiamata mappatura del riverbero, ha aiutato gli scienziati a sondare il materiale gassoso attorno al buco nero. A differenza del processo utilizzato da Event Horizon Telescope per assemblare un’immagine di un buco nero vicino, la mappatura del riverbero può essere utilizzata per studiare oggetti molto, molto lontani e sondare regioni ancora più vicine all’orizzonte degli eventi.
“La mappatura del riverbero non si basa affatto sulla risoluzione spaziale“, afferma Misty Bentz della Georgia State University, che utilizza la stessa tecnica per studiare i buchi neri distanti. “Invece, utilizza gli echi della luce all’interno dell’oggetto per mostrarcene le strutture, anche molto piccole e molto lontane”.
Rotazione sbalorditiva
Gli echi di luce catturati da IRAS 13224-3809 * hanno permesso ad Alston e al suo team di determinare la geometria precisa del materiale che circonda il buco nero, comprese le dimensioni della sua corona di raggi X dinamica, che alimenta quegli echi. Il team potrebbe quindi utilizzare tali informazioni per calcolare la massa e la rotazione del buco nero, due proprietà che non fluttuano sulle scale temporali umane.
“Per misurare la massa e la rotazione del buco nero, dobbiamo sapere esattamente dove si trova questo gas prima che cada nel buco nero“, afferma Alston.
Sulla base della nuova mappatura, il team ha concluso che questo buco nero supermassiccio contiene la massa di due milioni di soli e che sta ruotando alla massima velocità possibile senza infrangere le leggi della fisica.
Bentz, che non è stato coinvolto nel lavoro, afferma che le ampie osservazioni degli autori rendono i risultati estremamente convincenti.
“Gli autori hanno effettuato lo stesso esperimento 16 volte, che è significativamente più di qualsiasi altro studio precedente“, afferma. “Ciò li ha davvero aiutati a individuare i pezzi che non stavano cambiando“.
Alston e il suo team hanno anche assemblato un’immagine dinamica di come la corona di raggi X che avvolge il buco nero cambia nel tempo, con le sue dimensioni che variano leggermente in modo drammatico nel corso di un giorno.
Semi galattici
Ogni grande galassia nell’universo è probabilmente ancorata a un buco nero supermassiccio centrale. Questo ci può offrire indizi su come si sono formate e si sono evolute.
“Una delle cose che non sappiamo è come si formano i buchi neri supermassicci“, afferma Alston. “Quali sono i semi di questi nell’universo primordiale? La maggior parte dei nostri modelli prevede attualmente semi troppo piccoli che non possono crescere abbastanza velocemente”.
Un modo in cui le galassie potrebbero formarsi coinvolge potrebbe coinvolgere piccole galassie che si scontrano e si fondono. Mentre queste galassie si fondono, così fanno i loro buchi neri centrali. Se quelle collisioni sono caotiche, potrebbero non solo contribuire alla massa del buco nero più grande risultante, ma anche al modo in cui ruota, dice Alston.
Un altro modo in cui i buchi neri potrebbero acquisire massa è attraverso un flusso continuo di gas in entrata. In tal caso, la rotazione risultante potrebbe essere più rapida, come sembra la rotazione di IRAS 13224-3809 *, anche se Alston afferma che è troppo presto per concludere se ha aumentato la massa attraverso questo meccanismo.
Alla fine, lui e i suoi colleghi vorrebbero usare la mappatura del riverbero per fissare gli spin – e quindi le storie di formazione – di centinaia di buchi neri supermassicci nelle vicinanze, facendo un vero e proprio censimento di questi oggetti. Quindi, in base a quanto sono lontani quei buchi neri, gli scienziati possono vedere come le galassie sono cresciute.
Fonte: National Geographic
