In questa animazione, due buchi neri supermassicci stanno ruotando l’uno attorno all’altro. Il buco nero più massiccio, che è centinaia di milioni di volte la massa del Sole, sta emettendo un getto la cui luminosità apparente cambia mentre i due stanno orbitando. Gli astronomi hanno trovato prove di questo scenario in un quasar chiamato Pks 2131-021 dopo aver analizzato 45 anni di osservazioni radio che mostrano che la luminosità del sistema varia periodicamente. Crediti: Caltech/R. Hurt (Ipac)
Confinati in un epico valzer cosmico a 9 miliardi di anni luce di distanza da noi, due buchi neri supermassicci orbitano l’uno attorno all’altro ogni due anni. Ciascuno ha una massa di centinaia di milioni di volte quella del Sole e sono separati da una distanza circa 50 volte quella che separa il Sole da Plutone. Quando tra circa 10mila anni la coppia si fonderà, la titanica collisione farà tremare lo spaziotempo, originando onde gravitazionali che si propagheranno attraverso l’universo.
Un team di astronomi guidato dal Caltech ha trovato le prove di questo scenario all’interno di un quasar, un nucleo galattico attivo in cui un buco nero supermassiccio assorbe materiale da un disco che lo circonda. In alcuni quasar, il buco nero supermassiccio crea un getto a velocità prossime a quella della luce. L’oggetto osservato nello studio, Pks 2131-021, appartiene a una sottoclasse di quasar chiamata blazar in cui il getto punta verso la Terra. Gli astronomi sapevano già che i quasar potevano possedere due buchi neri supermassicci in orbita, ma trovarne la prova diretta si è rivelato difficile.
Come riportato su The Astrophysical Journal Letters, i ricercatori ritengono che Pks 2131-021 rappresenti il secondo candidato di una coppia di buchi neri supermassicci colti nell’atto di fondersi. La prima coppia candidata, nel quasar Oj 287, è costituita da due buchi neri in orbita l’uno intorno all’altro a una distanza maggiore, con un periodo di nove anni rispetto ai soli due anni necessari alla coppia Pks 2131-021 per completare un’orbita.
La prova rivelatrice è arrivata dalle osservazioni radio di Pks 2131-021 che abbracciano ben 45 anni. Secondo lo studio, un potente getto emesso da uno dei due buchi neri della coppia si sta spostando a causa del movimento orbitale della coppia stessa. Ciò provoca cambiamenti periodici nella luminosità radio del quasar. Cinque osservatori diversi hanno registrato queste oscillazioni, tra cui lo Owens Valley Radio Observatory (Ovro) del Caltech, lo University of Michigan Radio Astronomy Observatory (Umrao), l’Osservatorio Haystack del Mit, il National Radio Astronomy Observatory (Nrao), il Metsähovi Radio Observatory in Finlandia e lo strumento Wide, a bordo del satellite Wise della Nasa. La combinazione dei dati radio ha prodotto una curva di luce sinusoidale quasi perfetta, diversa da qualsiasi cosa osservata prima dai quasar.
«Quando ci siamo resi conto che i picchi e gli avvallamenti della curva di luce rilevati di recente corrispondevano ai picchi e agli avvallamenti osservati tra il 1975 e il 1983, sapevamo che stava succedendo qualcosa di molto speciale», afferma Sandra O’Neill, prima autrice del nuovo studio.
Animazione artistica di un buco nero supermassiccio circondato da un disco rotante di gas e polvere. Il buco nero sta emettendo un getto relativistico, che viaggia quasi alla velocità della luce. Crediti: Caltech/R. Hurt (Ipac)
Anche il primo candidato di questo tipo, Oj 287, mostra variazioni periodiche della luce radio. Tuttavia, le sue fluttuazioni sono più irregolari e non sinusoidali, ma suggeriscono che i buchi neri orbitano l’uno attorno all’altro ogni nove anni. I buchi neri all’interno del nuovo quasar, Pks 2131-021, orbitano l’uno attorno all’altro ogni due anni e sono distanti duemila unità astronomiche, circa 50 volte la distanza tra il Sole e Plutone – da dieci a cento volte più vicini della coppia in Oj 287.
Readhead racconta che le scoperte si sono svolte come in un romanzo poliziesco, a partire dal 2008, quando lui e i suoi colleghi hanno iniziato a utilizzare il telescopio da 40 metri dell’Ovro per studiare come i buchi neri convertono il materiale di cui “si nutrono” in getti che viaggiano a velocità fino al 99.98 per cento della velocità luce. Stavano monitorando la luminosità di oltre mille blazar quando, nel 2020, hanno notato un caso unico: «Pks 2131 variava non solo periodicamente, ma in modo sinusoidale», spiega Readhead. «Ciò significa che esiste un modello che possiamo tracciare continuamente nel tempo». Una nuova domanda si è allora fatta strada nella mente dei ricercatori: da quanto tempo persiste questo andamento nella luminosità dell’oggetto?
Il team ha quindi esaminato i dati radio d’archivio per cercare eventuali picchi passati nelle curve di luce che corrispondevano alle previsioni basate sulle osservazioni Ovro più recenti. In primo luogo, i dati del Very Long Baseline Array e dell’Umrao di Nrao hanno rivelato un picco del 2005 che corrispondeva alle previsioni. Dai dati Umrao è anche risultato evidente che non c’era stato alcun segnale sinusoidale per 20 anni prima di quel momento, fino al 1981, quando è stato osservato un altro picco. «La storia si sarebbe fermata qui, perché non sapevamo che esistevano dati su questo oggetto prima del 1980», afferma Readhead. «Ma poi Sandra, nel giugno del 2021, ha preso in mano questo progetto. Se non fosse stato per lei, questa bellissima scoperta sarebbe rimasta incompiuta».
Sandra O’Neill ha iniziato a lavorare con Readhead e il secondo autore dello studio, Sebastian Kiehlmann. Con il progetto di nuovo sul tavolo, Readhead ha cercato in letteratura e ha scoperto che l’Osservatorio Haystack aveva effettuato osservazioni radio di Pks 2131-021 tra il 1975 e il 1983. Questi dati hanno rivelato un altro picco che corrispondeva alle loro previsioni, questa volta verificatosi nel 1976.
Readhead paragona il sistema del getto che si muove avanti e indietro a un orologio che ticchetta, dove ogni ciclo, o periodo, dell’onda sinusoidale corrisponde all’orbita di due anni dei buchi neri (sebbene il ciclo osservato sia in realtà di cinque anni a causa dell’allungamento della luce data dall’espansione dell’universo). Questo ticchettio è stato visto per la prima volta nel 1976 ed è continuato per otto anni prima di scomparire per 20 anni, probabilmente a causa dei cambiamenti nell’alimentazione del buco nero. Il ticchettio è tornato da 17 anni. «La stabilità del periodo su questo divario di 20 anni suggerisce fortemente che questo blazar non ospiti un buco nero supermassiccio bensì due buchi neri, in orbita l’uno rispetto all’altro».
In questo grafico (cliccare per ingrandire) sono riportate tre serie di osservazioni radio del quasar Pks 2131-02, nell’arco di 45 anni: i dati dell’Owens Valley Radio Observatory (Ovro) in blu; i dati dell’Osservatorio radioastronomico dell’Università del Michigan (Umrao) in marrone e i dati dell’Osservatorio Haystack in verde. Le osservazioni sembrano essere ben rappresentate da una semplice onda sinusoidale, indicata in blu. Gli astronomi ritengono che il modello dell’onda sinusoidale sia causato da due buchi neri supermacci nel cuore del quasar, che orbitano l’uno attorno all’altro ogni due anni: uno dei buchi neri emette un getto relativistico la cui luminosità aumenta e diminuisce, a seconda della posizione del buco nero lungo la sua orbita. Crediti: Tony Readhead/Caltech
La fisica alla base delle variazioni sinusoidali inizialmente era un mistero, ma Blandford ha trovato un modello semplice ed elegante per spiegare la forma sinusoidale delle variazioni. «Sapevamo che questa bellissima onda sinusoidale ci stava dicendo qualcosa di importante sul sistema», afferma Readhead. «Il modello di Roger ci mostra che è semplicemente il suo movimento orbitale. Prima che Roger lo risolvesse, nessuno aveva capito che un sistema binario con un getto relativistico avrebbe avuto una curva di luce simile a questa».
Interferometro come Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) della National Science Foundation, gestito congiuntamente da Caltech e dal Mit, e l’italiano Virgo rilevano le onde gravitazionali di coppie di buchi neri fino a decine di volte la massa del Sole. Tuttavia, i buchi neri supermassicci al centro delle galassie hanno una massa da milioni a miliardi di volte maggiore del Sole ed emettono onde gravitazionali a frequenze inferiori di quelle rilevate da Ligo e Virgo.
In futuro, con i pulsar timing array, che consistono in una serie di pulsar monitorate con precisione da radiotelescopi, dovremmo essere in grado di rilevare le onde gravitazionali emesse dai buchi neri supermassicci di questa massa. Anche Lisa rileverebbe la fusione di buchi neri con masse da mille a dieci milioni di volte maggiori della massa del Sole. Finora, nessuna onda gravitazionale è stata registrata da queste sorgenti più massicce, ma Pks 2131-021 fornisce ancora l’obiettivo più promettente. Nel frattempo, le onde elettromagnetiche rimangono l’opzione migliore per rilevare la coalescenza dei buchi neri supermassicci.
Certo è che, come conclude Kiehlmann, «il nostro studio fornisce un modello su come cercare tali blazar in futuro».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal Letters l’articolo “The Unanticipated Phenomenology of the Blazar PKS 2131-021: A Unique Super-Massive Black hole Binary Candidate” di O’Neill, S. Kiehlmann, A. C. S. Readhead, M. F. Aller, R. D. Blandford, I. Liodakis, M. L. Lister, P. Mróz, C. P. O’Dea, T. J. Pearson, V. Ravi, M. Vallisneri, K. A. Cleary, M. J. Graham, K. J. B. Grainge, M. W. Hodges, T. Hovatta, A. Lähteenmäki, J. W. Lamb, T. J. W. Lazio, W. Max-Moerbeck, V. Pavlidou, T. A. Prince, R. A. Reeves, M. Tornikoski, P. Vergara de la Parra e J. A. Zensus
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