Galassie col buco, anzi due

La galassia Ngc 6240 che ha ispirato lo studio. A sinistra, l’immagine mostra l’intera galassia post-fusione; a destra si osservano i due brillanti nuclei attivi visibili nell’infrarosso, eliminando la densa nube di gas e polveri che racchiude le due galassie interagenti. I buchi neri supermassicci all’interno di questi nuclei crescono rapidamente, nutrendosi del gas circostante. Crediti: Nasa, Esa, W. M. Keck Observatory, Pan-Starrs e M. Koss (Eureka Scientific, Inc.)

Ispirato da un’immagine di due galassie interagenti collettivamente chiamate Ngc 6240, ottenuta dal telescopio spaziale Hubble, un team di ricercatori ha deciso di concentrare i propri sforzi sui nuclei di coppie di galassie che si stanno scontrando. Due galassie, attratte dalla reciproca gravità, si fondono in una nuova galassia, in cui una massa aggrovigliata di gas e polveri densi, nei quali la struttura lascia il posto al caos, nasconde dietro questa confusa nube di materiale due buchi neri supermassicci. Originariamente annidati ciascuno al centro di una delle due galassie, ora sono eccezionalmente vicini, dando agli astronomi la migliore visione della coppia, diretta verso la coalescenza in un buco nero ancora più massiccio. «Vedere le coppie di nuclei di galassie in fusione associati a questi enormi buchi neri così ravvicinati è stato piuttosto sorprendente», afferma  Michael Koss, ricercatore di Eureka Scientific Inc. a capo dello studio pubblicato su Nature. «Le immagini sono piuttosto potenti dal momento che sono dieci volte più nitide delle immagini dei normali telescopi a terra. È come passare dalla cecità alla perfetta visione quando si mettono gli occhiali. Nel nostro studio, vediamo due nuclei di galassie esattamente quando sono state scattate le immagini. Non puoi discuterne; è un risultato molto pulito che non si basa sull’interpretazione».

I ricercatori hanno inizialmente cercato buchi neri visivamente oscurati e attivi, analizzando i dati di oltre dieci anni di attività nei raggi x del telescopio spaziale Swift della Nasa poiché, spiega Richard Mushotzky, professore di astronomia all’Università del Maryland e coautore dello studio: «Questi raggi x penetrano attraverso le spesse nuvole di polvere e gas che circondano le galassie attive, permettendo al Bat [uno degli strumenti di Swift, n.d.r.] di vedere cose che sono letteralmente invisibili in altre lunghezze d’onda». Il team ha poi esaminato l’archivio ventennale di Hubble, concentrandosi sulla fusione delle galassie individuate nei dati ai raggi x. Infine, ha osservato nel vicino infrarosso con i telescopi del Keck Observatory alle Hawaii per osservare un campione più ampio di buchi neri, aggiungendo 96 galassie non trovate nell’archivio di Hubble, dal quale ne erano state ottenute 385.

Immagini di cinque galassie in collisione, tra cui Ngc 6240, che rivelano lo stadio finale dell’unione tra coppie di nuclei galattici. Le immagini a sinistra mostrano le galassie come appaiono a Hubble o al sistema Pan-Starrs. A destra, le immagini nel vicino infrarosso ottenute con i telescopi Keck alle Hawaii mostrano i nuclei brillanti coalescenti. La rapida crescita dei buchi neri si verifica negli ultimi dieci o venti milioni di anni dalla fusione. Queste osservazioni fanno parte della più grande indagine mai effettuata sui nuclei delle galassie vicine usando immagini ad alta risoluzione nella luce del vicino infrarosso. Crediti: Nasa, Esa, M. Koss (Eureka Scientific, Inc.), Pan-Starrs, W. M. Keck Observatory

I ricercatori hanno limitato l’indagine a galassie situate in media a 330 milioni di anni luce dalla Terra, relativamente vicine in termini cosmici. Molte di queste hanno dimensioni simili alla nostra Via Lattea e alla vicina galassia di Andromeda – che probabilmente si fonderanno tra qualche miliardo di anni. Secondo le attuali conoscenze, c’è un buco nero supermassiccio al centro di ogni grande galassia. Quando le galassie si fondono, lo fanno anche i loro buchi neri centrali. Questo processo richiede miliardi di anni, ma termina in un batter d’occhio. Una fusione di buchi neri supermassicci non è mai stata osservata direttamente, attraverso la radiazione elettromagnetica proveniente da zone circostanti la fusione, ma potrebbe essere stato un evento frequente nell’universo primordiale, rilasciando enormi energie sotto forma di onde gravitazionali rilevabili in futuro. Poiché le onde gravitazionali raggiungono la Terra leggermente prima della luce, ma i rilevatori indicano solo un’area di provenienza, per sapere dove puntare gli strumenti per fotografare la coalescenza gli astronomi devono sapere che oggetto cercare e survey come quella prodotta da Koss e colleghi individuano il tipo di galassia che  è più probabile ospiti coppie di buchi neri supermassicci.

«Questo è la prima grande indagine sistematica di 500 galassie che ha davvero isolato tali fusioni nascoste nelle fasi finali della fusione di buchi neri, che sono fortemente oscurate e molto luminose», commenta Koss. «È la prima volta che questa popolazione è stata realmente scoperta. Abbiamo trovato un numero sorprendente di buchi neri supermassicci che diventano più grandi e più veloci nelle fasi finali delle fusioni di galassie».

Trovare nuclei galattici così vicini tra loro è reso difficile dalla quantità di gas e polveri coinvolte nelle interazioni tra le due galassie che si stanno scontrando, specialmente nelle fasi finali e più violente della fusione. Per tale motivo, le osservazioni precedenti si erano fermate a distanze tra i nuclei circa dieci volte maggiori. I risultati dell’indagine suggeriscono che oltre il diciassette per cento delle galassie considerate ospita un paio di buchi neri al centro, bloccati negli ultimi stadi della danza che precede la fusione in un unico buco nero supermassiccio. I ricercatori sono stati sorpresi da una così alta percentuale di fusioni in fase avanzata, perché la maggior parte delle simulazioni suggerisce che le coppie di buchi neri trascorrono pochissimo tempo in questa fase. Per verificare i risultati, i ricercatori hanno confrontato le galassie della survey con un gruppo di controllo di 176 altre galassie dall’archivio di Hubble che non presentano buchi neri che crescono attivamente. In questo gruppo, solo circa l’uno percento delle galassie rilevate potrebbe ospitare coppie di buchi neri nelle ultime fasi della fusione.

I telescopi del W. M. Keck Observatory. Crediti: Billy Doaner

Questo confronto ha consentito la conferma che i nuclei galattici luminosi trovati nell’indagine sulle galassie interagenti siano la firma di coppie di buchi neri in rapida crescita diretti a una collisione. Secondo i ricercatori, questa scoperta è coerente con le previsioni teoriche, ma fino ad ora non era stata verificata da osservazioni dirette. «Le simulazioni al computer di scontri tra galassie ci mostrano che i buchi neri crescono più velocemente durante le fasi finali delle fusioni, vicino al momento in cui i buchi neri interagiscono, ed è quello che abbiamo trovato nella nostra indagine», conferma Laura Blecha, assistant professor all’Università della Florida e coautrice dello studio. «Il fatto che i buchi neri crescano sempre più velocemente man mano che la fusione progredisce ci dice che gli scontri di galassie sono davvero importanti per la nostra comprensione di come questi oggetti abbiano avuto modo di essere così mostruosamente grandi».

«Ci sono idee in competizione. Un’idea è che tu abbia un mucchio di gas nella galassia che alimenta lentamente il buco nero supermassiccio. L’altra idea è che hai bisogno di fusioni di galassie per innescare una grande crescita. I nostri dati argomentano per il secondo caso, che queste fusioni di galassie sono davvero fondamentali per alimentare la crescita dei buchi neri supermassicci», conclude Koss.

Per saperne di più:

  • Leggi su Nature l’articolo “A population of luminous accreting black holes with hidden mergers“, di Michael J. Koss, Laura Blecha, Phillip Bernhard, Chao-Ling Hung, Jessica R. Lu, Benny Trakthenbrot, Ezequiel Treister, Anna Weigel, Lia F. Sartori, Richard Mushotzky, Kevin Schawinski, Claudio Ricci, Sylvain Veilleux e David B. Sanders .

Fonte: Galassie col buco, anzi due

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