L’ARTICOLO È PUBBLICATO SU THE ASTROPHYSICAL JOURNAL

Messa a punto una “bilancia” per pesare i buchi neri

Uno studio internazionale guidato da Elena Dalla Bontà dell’Università di Padova, associata Inaf, ha permesso di trovare una formula empirica per determinare la massa dei buchi neri al centro delle galassie attive attraverso una singola misura della larghezza e luminosità delle righe di emissione prodotte dal gas riscaldato e ionizzato dalla radiazione ultravioletta vicino al buco nero

     09/11/2020

Immagine composita della regione centrale della galassia a nucelo attivo Ngc 4151. Crediti: X-ray: Nasa/Cxc/CfA/J.Wang et al.; Optical: Isaac Newton Group of Telescopes, La Palma/Jacobus Kapteyn Telescope, Radio: Nsf/Nrao/Vla

Alcune galassie vengono dette ‘attive’ perché mostrano una straordinaria emissione di energia proveniente dal loro nucleo (nucleo galattico attivo, o Agn), che si manifesta sotto forma di una forte luminosità o di un intenso segnale radio. Alcune di queste galassie sono caratterizzate da sottili getti di plasma, che si allungano nello spazio per centinaia di migliaia di anni luce. Le più brillanti emettono fino a mille volte più luce di tutte le stelle della nostra galassia, la Via Lattea. Tutta questa mole di energia viene prodotta da buchi neri di massa fino a 10 miliardi di volte quella del Sole, che funzionano come delle vere e proprie fornaci che bruciano il gas in caduta verso il centro della galassia. Questo combustibile proviene dalle regioni circostanti il nucleo, oppure è stato catturato e convogliato al centro durante i processi di fusione che animano la vita delle galassie. Per fare un confronto, le centrali termiche alimentate da combustibili tradizionali, come carbone, petrolio o metano e da cui dipende gran parte della nostra produzione di energia elettrica, convertono in energia meno di un miliardesimo della massa che bruciano. I reattori a fissione nucleare arrivano fino allo 0.1 per cento, mentre il Sole e le stelle, che illuminano l’universo grazie all’energia prodotta dalla fusione nucleare, non superano lo 0.3 per cento. I buchi neri, invece, sono molto efficienti e trasformano in energia dal 10 al 40 per cento del gas che inghiottono. Quando il gas finisce il buco nero si spegne e la galassia diventa quiescente, ma si possono ancora osservare dei bagliori sporadici quando il buco nero cattura una stella o una nube di gas.

Le osservazioni e la teoria sono concordi nel concludere che al centro di ogni galassia vi sia un buco nero di massa compresa tra un milione e 10 miliardi di masse solari, e che la massa del buco nero sia pari allo 0.2 per cento della massa totale delle stelle dalla galassia che lo ospita. Questa e altre correlazioni tra la massa dei buchi neri e le proprietà delle galassie implicano che i meccanismi che controllano l’accrescimento dei buchi neri debbano essere strettamente connessi ai processi che regolano l’evoluzione delle galassie. Tuttavia, la statistica dei buchi neri e lo studio dettagliato di come le relazioni tra buchi neri e galassie varino su tempi scala cosmologici soffrono ancora di forti limitazioni. Infatti le galassie per cui è stata misurata con precisione la massa del buco nero dal moto delle stelle – o del gas nelle regioni nucleari – non coprono omogeneamente gli intervalli possibili di massa, luminosità e tipo morfologico, e sono in genere galassie vicine e quiescenti. Fortunatamente gli Agn possono essere osservati fino a grandi distanze da noi, e possiamo stimare la massa del loro buco nero studiando le proprietà delle nubi di gas circostanti.

Quanto più una nube è vicina al centro, tanto più rapida sarà la sua rotazione e tanto più intensa sarà la radiazione ultravioletta che la investe strappando gli elettroni dai suoi atomi. Dal punto di vista tecnico, si tratta di analizzare gli spettri e, in particolare, le proprietà delle righe di emissione prodotte dal gas ionizzato. Le nubi possono trovarsi anche a pochi giorni luce di distanza dal centro e ruotare con velocità fino a 10mila km/s. Questi dati ci permettono di calcolare la massa del buco nero la cui forza di gravità accelera le nubi, ma servono lunghe campagne di osservazione, che possono anche protrarsi per diversi anni.

Elena Dalla Bontà, astronoma all’Università di Padova e associata Inaf, prima autrice dello studio sulla “bilancia per buchi neri” pubblicato oggi su ApJ

Ora è possibile determinare la massa del buco nero di una galassia attiva da una singola misura della larghezza e luminosità delle righe di emissione prodotte dal gas riscaldato e ionizzato dalla radiazione ultravioletta vicino al buco nero. Lo dimostra Elena Dalla Bontà, astronoma dell’Università di Padova e associata Inaf, in un lavoro appena pubblicato su The Astrophysical Journal.

«Siamo partiti raccogliendo e selezionando i migliori dati fotometrici e spettroscopici per tutti gli Agn monitorati fino ad oggi, sia dal nostro gruppo che da altri astronomi, allo scopo di studiare le dimensioni e la cinematica della regione in cui il gas si muove più vorticosamente attorno al buco nero centrale», spiega Dalla Bontà. «E abbiamo finalmente calibrato una relazione che permette di ricavare in maniera semplice e accurata la massa del buco nero da una singola osservazione spettroscopica, e che potrà essere applicata a tutte le campagne di osservazioni spettroscopiche delle galassie attive».

Per una misura accurata della massa del buco nero, inoltre, serve conoscere anche la luminosità dell’Agn senza il contributo della luminosità della galassia ospite. Per questo finora era necessaria anche un’immagine fotometrica ad alta risoluzione (come quelle fornite dal telescopio spaziale Hubble) con una successiva analisi non certo banale. Il nuovo studio dimostra che si può ottenere la luminosità del solo Agn dalla luminosità di una riga di emissione dello stesso spettro adottato per determinare la massa del buco nero, senza perdita di precisione.

I ricercatori sperano ora di usare questa nuova “bilancia” per pesare i buchi neri degli Agn a diversi redshift, in modo da studiare la coevoluzione tra buchi neri e galassie in funzione del tempo cosmico.

«Si è trattato di un lavoro meno semplice di quanto avessimo inizialmente previsto», aggiunge Dalla Bontà, «perché abbiamo riscontrato delle dipendenze non ovvie tra i parametri analizzati e abbiamo dovuto combinare dati raccolti nel corso degli ultimi trent’anni da autori che hanno adottato tecniche, correzioni e convenzioni anche molto diverse tra loro».

«Questo lavoro», conclude Dalla Bontà, «è la dimostrazione di come uno degli aspetti caratteristici della ricerca scientifica sia la possibilità di aver pieno accesso alle misure ottenute nel passato per poterle rianalizzare alla luce delle moderne conoscenze così da progredire nello studio della natura».

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