Al centro della galassia Markarian 501, sembra esserci non uno, ma ben due buchi neri supermassicci. Il duo potrebbe fondersi tra 100 anni.
Le osservazioni indicano che la maggior parte delle galassie ospita al proprio centro un buco nero supermassiccio, con masse comprese tra milioni e miliardi di masse solari. I meccanismi di crescita di questi oggetti non sono ancora completamente compresi: l’accrescimento di gas, da solo, risulta insufficiente a spiegare le masse osservate nei tempi cosmologici. Un contributo significativo è probabilmente fornito dalle fusioni tra buchi neri massicci, conseguenti alle frequenti interazioni e collisioni tra galassie. Durante tali processi, i buchi neri centrali formano sistemi binari, perdono energia orbitale e infine coalescono in un unico oggetto più massiccio.
Sistema binario nel nucleo della galassia Mrk 501
I modelli teorici attuali non riescono ancora a descrivere in modo accurato la fase finale dell’evoluzione dei sistemi binari di buchi neri supermassicci. Inoltre, nonostante le fusioni galattiche siano frequenti su scale cosmologiche, finora non era stata identificata in modo inequivocabile alcuna coppia ravvicinata di tali oggetti.
Un team internazionale guidato da Silke Britzen (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn) ha recentemente fornito evidenze osservative dirette di un sistema binario nel nucleo della galassia Mrk 501, con risultati accettati per la pubblicazione su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
L’analisi si basa su osservazioni radio ad alta risoluzione, raccolte su diverse frequenze nell’arco di circa 23 anni. I dati rivelano la presenza di due getti relativistici distinti, anziché uno solo, indicando l’esistenza di due buchi neri supermassicci. Inoltre, è stato possibile tracciarne il moto nel tempo, fornendo la prima evidenza diretta di un sistema binario di questo tipo nel centro di una galassia attiva.
Si ipotizza la coalescenza tra i due buchi neri
Un sistema di getti relativistici associato a un possibile sistema binario di buchi neri mostra un comportamento dinamico complesso. Il primo getto, orientato verso la Terra, appare particolarmente luminoso per effetto di beaming relativistico ed è noto da tempo; il secondo, con diversa inclinazione, è stato identificato solo recentemente. Osservazioni su scala di settimane evidenziano variazioni significative: il secondo getto emerge dietro il buco nero dominante e descrive un moto antiorario attorno ad esso, suggerendo una precessione del piano orbitale.
Nel giugno 2022 è stata osservata un’emissione con morfologia ad anello, interpretabile come un anello di Einstein prodotto da lente gravitazionale, coerente con un allineamento quasi perfetto tra il sistema binario e l’osservatore.
L’analisi temporale della luminosità dei getti indica un periodo orbitale di circa 121 giorni. La separazione tra i due buchi neri è stimata tra 250 e 540 unità astronomiche, estremamente ridotta rispetto alle loro masse (10⁸–10⁹ masse solari). In base a tali parametri, il sistema potrebbe evolvere rapidamente fino alla coalescenza, con una fusione prevista su una scala temporale dell’ordine di ~100 anni.
Manca poco al countdown
A causa della grande distanza che separa Mrk 501 dalla Terra, anche le tecniche osservative più avanzate non consentono di risolvere direttamente i due buchi neri come sorgenti distinte. Persino strumenti di altissima risoluzione come l’Event Horizon Telescope (EHT), responsabile delle prime immagini di buchi neri nel 2019 e 2022, non sono sufficienti a osservare direttamente l’orbita del sistema binario.
Tuttavia, l’evoluzione dinamica della coppia può essere studiata indirettamente. In particolare, la progressiva riduzione della distanza orbitale dovrebbe produrre un’emissione di onde gravitazionali a bassissima frequenza, rilevabili tramite i Pulsar Timing Array (PTA).
I sistemi binari di buchi neri supermassicci rappresentano attualmente la spiegazione più plausibile del fondo cosmico di onde gravitazionali, la cui evidenza osservativa è stata riportata nel 2023 da collaborazioni come l’European Pulsar Timing Array. In questo contesto, Mrk 501 emerge come un candidato chiave per associare tale segnale a una sorgente astrofisica specifica.
Un’eventuale rilevazione diretta delle onde gravitazionali permetterebbe inoltre di monitorarne l’evoluzione spettrale: l’aumento progressivo della frequenza costituirebbe una firma dell’inarrestabile spirale di avvicinamento dei due buchi neri, offrendo un’opportunità unica per studiare in tempo reale le fasi finali della fusione di un sistema binario supermassiccio.
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