Grazie all’analisi dei dati dell’archivio della Sloan Digital Sky Survey (SDSS), e dei telescopi spaziali XMM-Newton and Chandra, un gruppo di astronomi ha scoperto un gigantesco buco nero che sta probabilmente distruggendo e divorando una stella di grande massa che si trova nelle sue vicinanze. Con una massa pari a 100 milioni di volte quella del Sole, si tratta fino ad oggi del più grande buco nero colto in flagrante. I risultati di questo studio sono pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Il grafico mostra due spettri SDSS dell’oggetto in questione. Si notano bene le diverse luminosità in funzione della lunghezza d’onda tra le due epoche. In particolare, le righe rosse si riferiscono alle righe di Balmer dell’idrogeno che cambiano nettamente la loro forma: nello spettro rosso esse sono molto più larghe e forniscono una sorta di “impronta” del processo di accrescimento attorno al buco nero. Credit: SDSS/MPE.
Andrea Merloni del Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), autore principale dello studio, e i membri del suo gruppo hanno esplorato l’enorme archivio di dati della SDSS in vista di una futura missione satellitare in banda X. La survey SDSS ha osservato un’ampia frazione del cielo con il suo telescopio ottico prendendo una serie di spettri di galassie e buchi neri distanti. Per una serie di motivi, gli scienziati hanno ottenuto gli spettri di alcuni oggetti più volte. Ora, nel momento in cui il gruppo stava analizzando uno degli oggetti ripreso con spettri multipli, noto con la sigla SDSS J0159+0033, una galassia nella costellazione della Balena alla distanza di circa 3,5 miliardi di anni luce dalla Terra, i ricercatori rimasero colpiti da uno straordinario cambiamento.
«Di solito, le galassie distanti non mostrano variazioni significative nel corso della loro vita, cioè su tempi scala dell’ordine di anni o decine di anni», spiega Merloni. «Ma questa ha mostrato una variazione drammatica del suo spettro come se il suo buco nero si fosse acceso e spento». Ciò è accaduto tra il 1998 e il 2005 ma nessuno aveva notato lo strano comportamento fino allo scorso anno, quando due gruppi di ricercatori che stavano preparando la prossima (quarta) generazione delle survey SDSS si imbatterono indipendentemente nei dati.
Per fortuna, i due maggiori osservatori spaziali X, XMM-Newton dell’ESA e Chandra della NASA, osservarono la stessa area di cielo abbastanza vicina all’istante di tempo in cui si è avuto il flare e poi di nuovo circa dieci anni più tardi. Ciò ha permesso agli astronomi di avere un’informazione unica sull’emissione di alta energia che rivela come la materia viene processata nelle immediate vicinanze del buco nero centrale.
I buchi neri di grossa taglia risiedono nei nuclei delle galassie più grandi. Gli scienziati ritengono che la loro crescita ed evoluzione, che ha permesso di raggiungere le dimensioni attuali, è stata dovuta ai processi di accrescimento del gas interstellare che non può sfuggire alla loro immensa attrazione gravitazionale. Questo processo ha luogo nel corso di un tempo alquanto lungo (da 10 a 100 milioni di anni) ed è in grado di trasformare un buco nero di “piccola taglia”, creatosi a seguito dell’esplosione stellare di una stella massiccia, in un oggetto mostruoso supermassiccio che risiede nei nuclei delle galassie.
L’immagine raffigura un’istantanea relativa alla simulazione del processo di distruzione mareale di una stella da parte di un buco nero supermassiccio. I pennacchi color arancio mostrano i resti della stella dopo il suo passaggio vicino al buco nero (che si trova nella parte in basso a sinistra). I resti della stella distrutta si muovono su orbite ellittiche attorno al buco nero e formano un disco di accrescimento che alla fine emette radiazione nelle bande X e ottica. Credit: J. Guillochon (Harvard University) e E. Ramirez-Ruiz (University of California)
Sappiamo che le galasssie contengono un elevato numero di stelle ma alcune di esse, quelle più sfortunate, possono passare nelle vicinanze del buco nero centrale: qui esse vengono distrutte e alla fine “divorate” dal mostro. Se il buco nero è abbastanza compatto, le forti interazioni mareali fanno letteralmente a pezzi la stella in modo spettacolare. Ciò che rimane di essa continua a spiraleggiare attorno al buco nero e produce enormi brillamenti di radiazione (flare) che possono raggiungere una luminosità pari a quella di tutte le stelle della galassia ospite per un periodo di tempo che va da qualche mese a un anno. Questi eventi rari vengono chiamati TDF che sta per Tidal Disruption Flares.
Merloni e i suoi collaboratori pubblicarono immediatamente i loro dati affermando che il “loro” flare era quasi in perfetto accordo con le previsioni del modello. In più, data la natura casuale della scoperta, essi sottolinearono il fatto che si trattava di un sistema ancora più particolare di tutti quelli che erano stati trovati fino ad ora attraverso le ricerche attive. Con una massa stimata di 100 milioni di masse solari, stiamo avendo a che fare con il più grosso buco nero osservato nell’atto di distruzione di una stella.
Tuttavia, la dimensione del sistema in questione non è il solo aspetto intrigante di questo particolare flare ma è anche il primo per cui gli scienziati possono essere abbastanza certi che il buco nero sia rimasto di recente a “dieta di gas” (cioè alcune decine di migliaia di anni). Si tratta di un indizio importante che ci permette di comprendere di quale tipo di “cibo” si alimentano per lo più i buchi neri.
«Louis Pasteur diceva: ‘La fortuna favorisce una mente preparata’, ma nel nostro caso nessuno era davvero preparato», dice Merloni. «Avremmo potuto trovare questo oggetto unico già dieci anni fa ma gli astronomi non sapevano dove guardare. E’ alquanto comune in astronomia che il progresso verso la comprensione del cosmo viene spesso aiutato da scoperte casuali. Ora abbiamo un’idea migliore di come individuare altri eventi di questo tipo e gli strumenti futuri espanderanno notevolmente la nostra abilità di ricerca».
Tra meno di due anni, un nuovo potente telescopio per raggi X, eROSITA, attualmente in fase di costruzione al MPE, sarà messo in orbita sul satellite russo-tedesco SRG. Il telescopio osserverà l’intero cielo con una sensibilità adeguata per scoprire centinaia di eventi di distruzione mareale come nel suddetto caso. Grandi telescopi ottici stanno per essere concepiti e costruiti allo scopo di monitorare il “cielo variabile” e contribueranno enormemente alla soluzione del mistero di quelle che sono le abitudini alimentari dei buchi neri. Gli astronomi dovranno essere preparati per catturare questi eventi drammatici della vita di una stella ma anche quando essi saranno pronti, il cielo riserverà comunque nuove sorprese.
Questa simulazione della distruzione di una stella da parte di un buco nero illustra la formazione di un disco di accrescimento creato dal materiale stellare. La sequenza mostra una fase iniziale relativa alla formazione del disco. I falsi colori che individuano il materiale della stella sono mostrati in funzione della temperatura (il rosso indica temperature più basse e il porpora indica una temperatura più elevata). Credit: J. Guillochon and E. Ramirez Ruiz
MNRAS: A. Merloni et al. 2015 – A tidal disruption flare in a massive galaxy? Implications for the fuelling mechanisms of nuclear black holes