I buchi neri supermassicci, che hanno un peso di milioni o addirittura miliardi di volte la massa del nostro Sole, sono solo una piccola parte della massa delle galassie in cui vivono. Sembra che i buchi neri possano diventare caldi o freddi quando si tratta di agevolare o distruggere la nascita di stelle all’interno di un ammasso di galassie.
In genere, i buchi neri giganti, che pompano energia attraverso i getti, mantengono il gas interstellare troppo caldo per condensare e formare stelle: ma gli astronomi hanno trovato un ammasso di galassie, chiamato ammasso della Fenice, in cui le stelle si stanno formando ad un ritmo forsennato a causa dell’influenza di un buco nero.
Questo turboboost stellare è apparentemente collegato a getti meno energici dal buco nero centrale che non aumentano la temperatura del gas. Invece, il gas perde energia mentre si illumina ai raggi X e si raffredda dove può formare un gran numero di stelle a ritmo serrato. Laddove la nostra Via Lattea forma in media una stella all’anno, le stelle appena nate spuntano da questo gas freddo ad una velocità di circa 500 masse solari all’anno nel cluster di Phoenix.
Per capire il perché di questo fenomeno è stato necessario il potere combinato dell’Hubble Space Telescope della NASA, dell’osservatorio a raggi X Chandra della NASA e dell’osservatorio radio Very Large Array (VLA) vicino a Socorro, New Mexico.
I dati della radio VLA hanno rilevato getti che esplodono in prossimità del buco nero centrale. Questi getti gonfiavano bolle nel gas caldo che venivano rilevate dai raggi X da Chandra. Hubble invece ha studiato i filamenti blu brillante delle stelle appena nate nelle cavità tra il getto caldo e le nuvole di gas. Man mano che il buco nero è diventato più massiccio e più potente, la sua influenza è aumentata.
Gli astronomi hanno confermato il primo esempio di ammasso di galassie in cui un grande numero di stelle è nato al suo interno: utilizzando i dati dei telescopi spaziali della NASA e un osservatorio radio della National Science Foundation, i ricercatori hanno raccolto nuovi dettagli su come i buchi neri più massicci nell’universo influenzano le loro galassie ospiti.
Gli ammassi di galassie sono le strutture più grandi del cosmo, sono tenute insieme dalla gravità , e sono composti da centinaia o migliaia di galassie incorporate nel gas caldo, così come dalla materia oscura invisibile. I più grandi buchi neri supermassicci conosciuti si trovano nelle galassie al centro di questi ammassi.
Per decenni, gli astronomi hanno cercato ammassi di galassie contenenti ricchi vivai di stelle nelle loro galassie centrali. Invece, hanno trovato buchi neri potenti e giganti che pompano energia attraverso getti di particelle ad alta energia e mantengono il gas troppo caldo per formare molte stelle.
Ora, gli scienziati hanno trovato prove convincenti di un ammasso di galassie in cui le stelle si stanno formando ad un ritmo importante, apparentemente collegato a un buco nero meno efficace al suo centro. In questo cluster unico, i getti dal buco nero centrale sembrano invece aiutare la formazione delle stelle.
“Questo è un fenomeno che gli astronomi stavano cercando di trovare da molto tempo. Questo cluster dimostra che, in alcuni casi, l’energia in fuga con il plasma caldo che fuoriesce dal disco di accrescimento di un buco nero può effettivamente migliorare il raffreddamento, portando a conseguenze drammatiche”, ha affermato Michael McDonald, astronomo del Massachusetts Institute of Technology (MIT), che ha guidato lo studio.
Il buco nero in questione si trova al centro di questo ammasso di galassie chiamato Phoenix Cluster, situato a circa 5,8 miliardi di anni luce dalla Terra nella Phoenix Constellation. La grande galassia che ospita il buco nero è circondata da gas caldo a temperature di milioni di gradi. La massa di questo gas, equivalente a trilioni di soli, è parecchie volte maggiore della massa combinata di tutte le galassie nell’ammasso.
Il gas caldo perde energia quando brilla ai raggi X, il che dovrebbe farlo raffreddare fino a quando non può formare un gran numero di stelle. Tuttavia, in tutti gli altri ammassi di galassie osservati, le esplosioni di energia guidate da un buco nero impediscono il raffreddamento di gran parte del gas caldo, impedendo quindi la nascita di stelle.
“Immagina di gestire un condizionatore d’aria in casa in una giornata calda, ma poi di accendere un fuoco di legna. Il tuo salotto non può raffreddarsi adeguatamente fino a quando non spegni il fuoco. Allo stesso modo, quando l’abilità di riscaldamento di un buco nero viene disattivata in un ammasso di galassie, il gas può raffreddarsi“, ha dichiarato il co-autore Brian McNamara dell’Università di Waterloo in Canada.
Le prove della rapida formazione di stelle nel Phoenix Cluster sono state precedentemente riportate nel 2012 da un team guidato da McDonald. Ma erano necessarie osservazioni più approfondite per conoscere i dettagli sul ruolo del buco nero centrale nella rinascita delle stelle nella galassia centrale e su come ciò potrebbe cambiare in futuro.
Combinando lunghe osservazioni in raggi X, ottica e luce radio, i ricercatori hanno ottenuto un miglioramento di dieci volte della qualità dei dati rispetto alle osservazioni precedenti. I nuovi dati di Chandra rivelano che il gas caldo si sta raffreddando quasi alla velocità prevista in assenza di energia iniettata da un buco nero. I nuovi dati di Hubble mostrano che circa 10 miliardi di masse solari di gas freddo si trovano lungo i filamenti che conducono verso il buco nero e da questo gas freddo si formano giovani stelle ad una velocità di circa 500 masse solari all’anno. In confronto, le stelle si stanno formando nella galassia della Via Lattea ad una velocità di circa una massa solare all’anno.
I dati della radio VLA rivelano getti che esplodono in prossimità del buco nero centrale. Questi getti probabilmente hanno gonfiato le bolle nel gas caldo che sono state rilevate nei dati di Chandra. Sia i getti che le bolle sono la prova della rapida crescita passata del buco nero. All’inizio di questa crescita, il buco nero potrebbe essere stato sottodimensionato, rispetto alla massa della sua galassia ospite, che consentirebbe un rapido raffreddamento senza controllo.
“In passato, le esplosioni dal buco nero sottodimensionato potrebbero essere state semplicemente troppo deboli per riscaldare l’ambiente circostante, consentendo al gas caldo di iniziare il raffreddamento”, ha affermato il coautore Matthew Bayliss, che era ricercatore presso il MIT durante questo studio, ma ha recentemente è entrato a far parte della facoltà dell’Università di Cincinnati: “Ma man mano che il buco nero è diventato più massiccio e più potente, la sua influenza è aumentata”.
Il raffreddamento può continuare quando il gas viene portato via dal centro del cluster dagli scoppi del buco nero. A una distanza maggiore dall’influenza del riscaldamento del buco nero, il gas si raffredda più velocemente di quanto possa ricadere verso il centro del cluster. Questo scenario spiega l’osservazione perché il gas freddo si trova intorno ai confini delle cavità , sulla base di un confronto tra i dati di Chandra e Hubble.
Alla fine lo scoppio genererà abbastanza turbolenza, onde sonore e onde d’urto (simili ai boom sonici prodotti dagli aerei supersonici) per fornire fonti di calore e prevenire un ulteriore raffreddamento. Ciò continuerà fino alla cessazione dell’esplosione e alla ripresa dell’accumulo di gas freddo. È quindi possibile ripetere l’intero ciclo.“
Questi risultati mostrano che il buco nero ha contribuito temporaneamente alla formazione delle stelle, ma quando si rafforza i suoi effetti inizieranno a imitare quelli dei buchi neri in altri ammassi, soffocando la nascita delle stelle“, ha detto il co-autore Mark Voit dell’ Università di Stato a East Lansing, Michigan.
Fonte: NASA
