La fusione prossima ventura di due buchi neri giganti

Gli astronomi hanno individuato in una galassia lontana un oggetto, soprannominato Spikey, che potrebbe essere costituito da due buchi neri supermassicci prossimi alla fusione. La conferma forse arriverà questa primavera quando, secondo i modelli, Spikey dovrebbe emettere un’improvvisa e intensa vampata di radiazioni X.

Con una massa pari a miliardi di volte quella del nostro Sole, i buchi neri supermassicci sono i massimi tra i pesi massimi che si celano al centro di quasi tutte le grandi galassie. Anche se non emettono luce, questi oggetti possono comunque dar luogo a spettacolari fuochi d’artificio celesti via via che inghiottono gas e polveri, creando getti di particelle ad alta energia e vorticosi dischi di detriti, ben visibili attraverso il cosmo come nuclei galattici attivi (AGN).
Adesso, è stata identificata in un remoto AGN una vampata che, sospettano gli scienziati, potrebbe venire da un buco nero supermassiccio che amplifica le emissioni di un secondo buco nero nelle sue vicinanze; e questo fa pensare che i due oggetti potrebbero fondersi nel corso dei prossimi 100.000 anni. Se sono davvero in procinto di fondersi, i due oggetti offriranno agli astronomi lo spettacolo senza precedenti del processo, ancora poco compreso, con cui arrivano a fondersi i buchi neri giganti.
Nel 2017 gli astrofisici Daniel D’Orazio e Rosanne Di Stefano hanno esposto in dettaglio in che modo due buchi neri supermassicci destinati a fondersi in breve tempo dovrebbero esercitare l’uno sull’altro un effetto di lente gravitazionale, e come dovrebbe apparire dalla Terra il relativo segnale se il piano dell’imminente fusione fosse allineato con il nostro pianeta. Accelerando a precipizio verso l’uno o l’altro dei membri della coppia, il materiale che circonda i buchi neri dovrebbe produrre un’emissione molto intensa nella gamma dei raggi X.
A ottobre, Di Stefano e d’Orazio, insieme a diversi collaboratori, hanno comunicato di aver trovato un oggetto che emette un segnale corrispondente alle loro previsioni teoriche. I dati raccolti nel 2011 dal telescopio Kepler della NASA, dedicato alla ricerca dei pianeti extrasolari, hanno rivelato un AGN insolito, con un inconsueto picco improvviso di emissione.
Se questo oggetto, soprannominato Spikey, tornerà a emettere un lampo questa primavera – come previsto da D’Orazio e colleghi – avremo, per riprendere le sue parole, la “pistola fumante” che conferma che Spikey è una coppia di buchi neri supermassicci in procinto di fondersi. D’Orazio, astronomo a Harvard, ha presentato la nuova analisi il mese scorso a un convegno dell’American Astronomical Society tenutosi a Honolulu.
Il “problema dell’ultimo parsec”
Quando le galassie collidono, i buchi neri supermassicci dei nuclei galattici finiscono per arrivare al centro della nuova galassia che ne risulta, avvicinandosi fra loro. Le osservazioni effettuate sui nuclei delle galassie in via di fusione rivelano o un unico buco nero supermassiccio (presumibilmente, quando se ne sono già fusi due o più) o più buchi neri che orbitano a qualche parsec di distanza l’uno dall’altro (un parsec è pari a circa 3,26 anni luce).
“Siamo convinti che quando due galassie si fondono i buchi neri che ospitano si avvicinino a meno di un parsec di distanza”, dice Scott Hughes, un astrofisico del Massachusetts Institute of Technology, estraneo allo studio.
Il problema si pone nell’ultimo parsec, dove la gravità non è abbastanza forte da vincere la forza centrifuga dell’orbita di ciascuno dei due buchi neri per farli avvicinare ancora. Senza un costante afflusso di nuovo materiale a movimentare la situazione, i due oggetti potrebbero restare sul punto di fondersi, in posizione di stallo, per tutta la durata dell’universo.
Questo “problema dell’ultimo parsec” non riguarda le coppie di buchi neri più piccoli, di massa stellare, che possono fondersi più facilmente dissipando via l’energia orbitale in eccesso attraverso una copiosa emissione di onde gravitazionali. I buchi neri, invece, hanno bisogno di una spinta per superare l’ultimo ostacolo prima che subentri l’emissione di onde gravitazionali; a quel punto, poi, la fusione diventa inevitabile.
“Non capiamo bene che cosa succeda nell’ultimo parsec”, dice Matthew Graham, cosmologo al California Institute of Technology non coinvolto nel nuovo studio. “Abbiamo una comprensione teorica del fenomeno, ma mancano buoni dati osservativi da mettere a confronto con la teoria.” O almeno, per ora i dati mancano.
Oltre a rivelare migliaia di esopianeti, Kepler ha scoperto anche qualche decina di AGN. Uno studio del 2018 dedicato a questi oggetti ha rivelato un’insolita attività luminosa in uno di essi, KIC 11606854. Un’analisi più precisa ha mostrato che gli alti e bassi dei lampi corrispondevano alle previsioni formulate sull’effetto di lente gravitazionale reciproca di una coppia di buchi neri in via di fusione. Insomma, era Spikey.
“In fin dei conti, è stato un caso in gran parte fortuito”, dice Betty Hu, dottorando alla Harvard University e prima fra gli autori della comunicazione preliminare in cui è stata resa nota la scoperta di Spikey. I ricercatori che studiavano gli AGN osservati da Kepler hanno trasmesso le informazioni a D’Orazio e colleghi, che poi hanno trovato che il segnale corrispondeva “molto bene” al modello dell’effetto lente, dice Di Stefano.
Secondo Di Stefano, ciascuno dei buchi neri in via di fusione potrebbe essere circondato da un “mini-disco” immerso in disco condiviso più ampio che orbita intorno a entrambi gli oggetti. I minidischi potrebbero dissiparsi via via che i buchi neri li inghiottono, per essere poi di tanto in tanto reintegrati da materiali provenienti dal più vasto disco circostante.
Il fatto che ognuno dei due buchi assorba progressivamente un minidisco ha un effetto collaterale positivo, dissipando un’ulteriore quantitativo di energia orbitale e consentendo ai due oggetti di avvicinarsi in un percorso a spirale, potrebbe risolvere il problema dell’ultimo parsec. Secondo il modello ipotizzato dai ricercatori, la fusione di Spikey dovrebbe avvenire entro i prossimi 100.000 anni circa: in termini cosmici, in un batter d’occhio.

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