Gli astronomi hanno scoperto un nuovo comportamento del buco nero in una galassia lontana

Nel cuore di una galassia lontana, un buco nero supermassiccio sembra avere un intoppo.

Gli astronomi del MIT, dell’Italia, della Repubblica Ceca e di altri paesi hanno scoperto che il buco nero, precedentemente silenzioso, situato al centro di una galassia a circa 800 milioni di anni luce di distanza, è improvvisamente esploso, rilasciando pennacchi di gas ogni 8,5 giorni prima di stabilizzarsi. Ritorna al suo stato normale e calmo.

Le esplosioni periodiche sono un comportamento nuovo che non è stato ancora osservato nei buchi neri. Gli scienziati ritengono che la spiegazione più probabile per le esplosioni derivi da un secondo buco nero più piccolo che orbita attorno al buco nero supermassiccio centrale ed espelle materiale dal disco di gas più grande del buco nero ogni 8,5 giorni.

I risultati del team sono: Pubblicato oggi Scrivendo sulla rivista Science Advances, mette in discussione l’immagine tradizionale dei dischi di accrescimento del buco nero, che gli scienziati presumevano fossero dischi di gas relativamente uniformi in orbita attorno a un buco nero centrale. Le nuove scoperte suggeriscono che i dischi di accrescimento potrebbero essere più diversificati nei loro contenuti, possibilmente contenenti altri buchi neri e persino intere stelle.

“Pensavamo di sapere molto sui buchi neri, ma questo ci dice che ci sono molte più cose che possono fare”, afferma l’autore dello studio Dheeraj “DJ” Basham, ricercatore presso il Kavli Institute for Astrophysicals and Space Research del MIT. “Pensiamo che ci saranno molti più sistemi come questo, dobbiamo solo raccogliere più dati per trovarli”.

Coautori dello studio del MIT sono il ricercatore post-dottorato Peter Kosik, la studentessa laureata Megan Masterson, la professoressa associata Irene Kara, il principale ricercatore Ronald Remillard e l'ex ricercatore Michael Fosnow, insieme a collaboratori di diverse istituzioni, tra cui l'Università di Tor Vergata. di Roma e l'Università Tor Vergata di Roma. Istituto Astronomico dell'Accademia Ceca delle Scienze e Università Masaryk nella Repubblica Ceca.

“O lo usi o lo perdi.”

Le scoperte del team derivano dal rilevamento automatizzato di ASAS-SN (Automated All-Sky Supernova Survey), una rete di 20 telescopi automatizzati situati in varie località negli emisferi settentrionale e meridionale. I telescopi scansionano automaticamente l'intero cielo una volta al giorno alla ricerca di segni di supernove e altri fenomeni transitori.

Nel dicembre 2020, l’indagine ha rilevato un’esplosione di luce in una galassia a circa 800 milioni di anni luce di distanza. Quella particolare parte del cielo era stata relativamente tranquilla e buia fino alla scoperta da parte dei telescopi, quando la galassia improvvisamente si illuminò di un fattore 1000. Basham, che per caso vide la scoperta menzionata in un avviso comunitario, scelse di concentrarsi sul bagliore usando Il NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer) della NASA, che un telescopio a raggi X a bordo della Stazione Spaziale Internazionale monitora continuamente il cielo Il momento era fortuito, poiché si stava avvicinando la fine del periodo di un anno durante il quale Basham aveva ricevuto il permesso di dirigere o “operare” il telescopio.

“Si trattava di usarlo o perderlo, e si è rivelata la mia fortuna”, dice.

Ha addestrato NICER a monitorare la galassia lontana mentre continuava a brillare. L'eruzione durò circa quattro mesi prima di spegnersi. Durante quel periodo, NICER ha effettuato misurazioni dell'emissione di raggi X della galassia su base giornaliera altamente ritmica. Quando Basham guardò attentamente i dati, notò uno strano schema durante il brillamento durato quattro mesi: lievi cali, in una banda molto stretta di raggi X, che sembravano riapparire ogni 8,5 giorni.

L'esplosione di energia galattica sembra diminuire periodicamente ogni 8,5 giorni. Il segnale è simile a quello che gli astronomi vedono quando un pianeta in orbita passa davanti alla sua stella ospite, bloccando brevemente la luce della stella. Ma nessuna stella sarà in grado di bloccare il bagliore di un’intera galassia.

“Ero confuso su cosa significasse, perché questo modello non si adattava a nulla di ciò che sapevamo su questi sistemi”, ricorda Basham.

Colpiscilo

Mentre cercava una spiegazione per i cali periodici, Basham si è imbattuto in un recente articolo scritto da fisici teorici nella Repubblica ceca. I teorici hanno concluso separatamente che è teoricamente possibile che il buco nero supermassiccio centrale della galassia ospiti un secondo buco nero, molto più piccolo. Questo buco nero più piccolo può ruotare di un angolo rispetto al disco di accrescimento del suo compagno più grande.

Come suggerito dai teorici, il buco nero secondario penetrerà periodicamente nel disco del buco nero primario mentre ruota. Nel processo, rilascerà un pennacchio di gas, come un’ape che vola attraverso una nuvola di polline. Forti campi magnetici, situati a nord e a sud del buco nero, potrebbero scagliare il pennacchio verso l’alto e fuori dal disco. Ogni volta che il buco nero più piccolo penetra nel disco, emette un altro pennacchio, secondo uno schema periodico regolare. Se questo pennacchio puntasse nella direzione di un telescopio osservatore, potrebbe essere osservato come un calo nell'energia complessiva della galassia, bloccando brevemente di tanto in tanto la luce del disco.

“Ero così entusiasta di questa teoria che ho immediatamente inviato loro un'e-mail per dire: 'Penso che stiamo osservando esattamente ciò che prevedeva la tua teoria'”, afferma Basham.

Lui e gli scienziati cechi hanno collaborato per testare l’idea, con simulazioni che includevano osservazioni NICER dell’esplosione originale e cali regolari di 8,5 giorni. Ciò che hanno scoperto supporta la teoria: l’esplosione osservata è probabilmente il segnale di un secondo buco nero più piccolo, in orbita attorno a un buco nero supermassiccio centrale, che fora periodicamente il suo disco.

Nello specifico, il team ha scoperto che la galassia era relativamente tranquilla prima della scoperta del dicembre 2020. Il team stima che il buco nero supermassiccio centrale della galassia abbia una dimensione fino a 50 milioni di soli. Prima dell’esplosione, il buco nero potrebbe aver avuto un debole e diffuso disco di accrescimento attorno ad esso, mentre un secondo buco nero più piccolo, tra 100 e 10.000 masse solari, orbitava in relativa oscurità.

I ricercatori sospettano che nel dicembre 2020, un terzo oggetto – molto probabilmente una stella vicina – si sia avvicinato al sistema e sia stato fatto a pezzi dall’enorme gravità del buco nero supermassiccio – un evento noto agli astronomi come “evento di perturbazione mareale”. L’improvviso afflusso di materiale stellare ha fatto sì che il disco di accrescimento del buco nero si illuminasse momentaneamente, mentre i detriti stellari turbinavano all’interno del buco nero. Nel corso di quattro mesi, il buco nero si è nutrito di detriti stellari mentre il secondo buco nero ha continuato a orbitare. Quando è penetrato nel disco, ha rilasciato un pennacchio molto più grande del normale, che è stato irradiato direttamente verso la banda NICER.

Il team ha eseguito diverse simulazioni per testare i cali periodici. I ricercatori hanno concluso che la spiegazione più probabile è un nuovo tipo di sistema Davide e Golia, un piccolo buco nero di massa intermedia in orbita attorno a un buco nero supermassiccio.

“Questa è una bestia diversa”, dice Basham. “Ciò non concorda con tutto ciò che sappiamo su questi sistemi. Vediamo prove di oggetti che entrano e attraversano il disco, da diverse angolazioni, il che sfida l'immagine tradizionale di un semplice disco gassoso attorno ai buchi neri. Pensiamo che ce ne siano un gran numero di tali sistemi là fuori.”

“Questo è un ottimo esempio di come i detriti di una stella fallita possano essere utilizzati per illuminare l'interno di un nucleo galattico che altrimenti rimarrebbe buio”, afferma Richard Saxton. “È come usare un colorante fluorescente per trovare una perdita in un tubo. ” Un astronomo di raggi X del Centro Europeo di Astronomia Spaziale (ESAC) di Madrid, non coinvolto nello studio. “Questo risultato mostra che i buchi neri binari supermassicci molto vicini potrebbero essere comuni nei nuclei galattici, il che rappresenta uno sviluppo molto entusiasmante per i futuri rilevatori di onde gravitazionali”.

Questa ricerca è stata supportata in parte dalla NASA.