I risultati aiuteranno gli scienziati a tracciare l’evoluzione dei buchi neri mentre si nutrono di materiale stellare.

Sparsi nella nostra galassia, la Via Lattea, ci sono decine di milioni di buchi neri: pozzi gravitazionali dello spaziotempo immensamente forti, dai quali la materia in caduta, e persino la luce, non possono più fuggire. I buchi neri sono scuri per definizione, tranne nelle rare occasioni in cui si nutrono. Quando un buco nero aspira gas e polvere da una stella nella sua orbita, può emettere spettacolari lampi di raggi X che rimbalzano come un vero e proprio “eco” sul gas circostante, illuminando brevemente i dintorni del buco.

Gli astronomi del MIT stanno cercando possibili lampi ed echi di buchi neri dai sistemi binari a raggi X nelle nostre vicinanze: sistemi con una stella in orbita che, occasionalmente, viene divorata da un buco nero. L’analisi degli echi di tali sistemi può aiutare a ricostruire le immediate ed estreme aree in vicinanza di un buco nero.

M87 buco nero
L’immagine mostra il buco nero di M87 in luce polarizzata. Credit: EHT Collaboration

A caccia di buchi neri

Nello studio apparso sull’Astrophysical Journal, i ricercatori riferiscono di aver utilizzato un nuovo strumento di ricerca automatizzato, che hanno denominato la “macchina del riverbero”, per esaminare i dati alla ricerca di segni di echi di buchi neri. Nella loro ricerca, hanno scoperto otto nuovi sistemi binari associati a buchi neri nella nostra galassia.

In precedenza, solo due di questi sistemi nella Via Lattea erano noti per emettere echi di raggi X.

Confrontando gli echi tra i sistemi, il team ha messo insieme un quadro generale di come si evolve un buco nero durante un brillamento. In tutti i sistemi si è osservato che un buco nero subisce prima uno stato definito “rigido”, dove viene generata una corona di fotoni ad alta energia insieme a un getto di particelle relativistiche che viene scagliata via alla velocità della luce. Ma i ricercatori hanno visto che a un certo punto il buco nero emette un brillamento finale ad alta energia, prima di passare a uno stato più “morbido”, a bassa energia.

Questo lampo finale potrebbe essere un segno che la corona di un buco nero, la regione di plasma ad alta energia appena fuori dal confine di un buco nero, si espande brevemente, espellendo un getto finale di particelle ad alta energia prima di scomparire del tutto. Questi risultati potrebbero aiutare a spiegare come i buchi neri supermassicci più grandi al centro di una galassia possano espellere particelle su scale ampiamente cosmiche che arrivano a modellare la formazione di una galassia.

Il ruolo dei buchi neri nell’evoluzione delle galassie è una questione importante nell’astrofisica moderna”, afferma Erin Kara, assistente professore di fisica al MIT. “È interessante notare che questi sistemi binari di buchi neri sembrano essere dei ‘mini buchi neri supermassicci’, e quindi comprendendo le emissioni in questi piccoli sistemi vicini, possiamo capire come esplosioni simili nei buchi neri supermassicci influenzino le galassie in cui risiedono”.

Rappresentazione artistica del buco nero MAXI J1820+070 mentre assorbe materiale da una stella vicina. Credits: Aurore Simonnet and NASA’s Goddard Space Flight Center

L’eco dei buchi neri

Kara e i suoi colleghi stanno usando gli echi dei raggi X per mappare le vicinanze di un buco nero, proprio come i pipistrelli usano gli echi sonori per navigare nell’ambiente circostante. Quando un pipistrello emette un verso, il suono può rimbalzare su un ostacolo e tornare al pipistrello come un’eco. Il tempo necessario affinché l’eco ritorni è relativo alla distanza tra il pipistrello e l’ostacolo, fornendo all’animale una mappa di ciò che lo circonda.

In modo simile, il team del MIT sta cercando di mappare le immediate vicinanze di un buco nero utilizzando gli echi di raggi X. Gli echi rappresentano ritardi temporali tra due tipi di luce a raggi X: la luce emessa direttamente dalla corona e la luce dalla corona che rimbalza sul disco di accrescimento di gas e polvere.

Il tempo in cui un telescopio riceve la luce dalla corona, rispetto a quando riceve gli echi dei raggi X, fornisce una stima della distanza tra la corona e il disco di accrescimento. Guardare come cambiano questi ritardi temporali può rivelare come si evolvono la corona e il disco di un buco nero mentre il buco nero consuma materiale stellare.

Nel loro nuovo studio, il team ha sviluppato un algoritmo di ricerca per esaminare i dati presi dall’Neutron Star Interior Composition Explorer della NASA (o NICER), un telescopio a raggi X ad alta risoluzione a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. L’algoritmo ha individuato 26 sistemi binari di buchi neri che in precedenza erano noti per emettere esplosioni di raggi X.

Di questi 26, il team ha scoperto che 10 sistemi erano abbastanza vicini e luminosi da poter discernere gli echi dei raggi X tra le emissioni.

In precedenza, otto dei 10 non erano noti per emettere echi.

Abbiamo trovate nuove firme di riverbero in otto fonti, i buchi neri hanno una massa da cinque a 15 volte la massa del sole e sono tutti in sistemi binari con stelle normali, di piccola massa, simili al Sole”.

Conversione dell’emissione di eco di buchi neri in raggi X a onde sonore udibili. Credits: Kyle Keane e Erin Kara, MIT, per il suono. Michal Dovciak, ASU CAS, per il video.

I risultati dei nuovi algoritmi

Come progetto parallelo, Kara sta lavorando con gli studiosi di musica e istruzione del MIT, Kyle Keane e Ian Condry, per convertire l’emissione da un tipico eco di raggi X in onde sonore udibili. I ricercatori hanno quindi eseguito l’algoritmo sui 10 sistemi binari di buchi neri e diviso i dati in gruppi con simili caratteristiche di temporizzazione spettrale, ovvero ritardi simili tra i raggi X ad alta energia e gli echi rielaborati. Ciò ha aiutato a monitorare rapidamente il cambiamento negli echi dei raggi X in ogni fase durante l’esplosione di un buco nero. 

Il team ha identificato un’evoluzione comune a tutti i sistemi. Nello stato iniziale “rigido”, in cui una corona e un getto di particelle ad alta energia dominano l’energia del buco nero, hanno rilevato ritardi temporali brevi e veloci, dell’ordine dei millisecondi. Questo stato dura per diverse settimane. Quindi, si verifica una transizione nell’arco di diversi giorni, in cui la corona e il getto eruttano e si estinguono, e subentra uno stato “morbido”, dominato dai raggi X a bassa energia provenienti dal disco di accrescimento del buco nero.   

Durante lo stato di transizione, il team ha scoperto che i ritardi temporali aumentavano momentaneamente in tutti e 10 i sistemi, il che implica che anche la distanza tra la corona e il disco aumentava. Una spiegazione è che la corona potrebbe espandersi brevemente verso l’esterno e verso l’alto, in un’ultima esplosione di alta energia prima che il buco nero finisca la maggior parte del suo pasto stellare e si zittisca.

Siamo solo all’inizio della possibilità di utilizzare questi echi di luce per ricostruire gli ambienti più vicini al buco nero. Ora abbiamo dimostrato che questi echi sono comunemente osservati e siamo in grado di sondare le connessioni tra il disco, il getto e la corona di un buco nero in un nuovo modo.

Riferimenti: Massachusetts Institue of Technology

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