Gli scienziati scoprono che i buchi neri ruotano inaspettatamente velocemente: “Stai essenzialmente guardando il suo record fossile”
Un’illustrazione mostra un buco nero supermassiccio in rotazione. (Credito immagine: Robert Lea (creato con Canva))
Gli scienziati hanno scoperto che alcuni buchi neri supermassicci ruotano molto più rapidamente del previsto. La scoperta è il risultato di una nuova forma di “archeologia dei buchi neri” che collega le rotazioni dei buchi neri al gas e alla polvere che hanno consumato per crescere in oltre 7 miliardi di anni di storia cosmica. I risultati, grazie al Sloan Digital Sky Survey (SDSS), suggeriscono alcune cose. In primo luogo, l’universo primordiale potrebbe essere stato più ordinato di quanto si sospettasse in precedenza. In secondo luogo, la crescita dei buchi neri supermassicci attraverso la catena di fusioni di buchi neri progressivamente più grandi (innescata quando le galassie si scontrano e si fondono) potrebbe essere integrata dagli oggetti che si nutrono voracemente del gas e della polvere circostanti.
“Abbiamo studiato i giganteschi buchi neri trovati al centro delle galassie, dall’oggi fino a sette miliardi di anni fa,” ha detto in una dichiarazione Logan Fries, membro del team dell’Università del Connecticut. “Inaspettatamente, abbiamo scoperto che stavano ruotando troppo velocemente per essersi formati solo attraverso fusioni di galassie. Devono essersi formati in gran parte dal materiale che cade dentro, facendo crescere il buco nero in modo uniforme e accelerando la sua rotazione.”
Misurare la rotazione dei buchi neri non è facile
Nonostante siano mostri cosmici che modellano intere galassie intorno a loro, i buchi neri supermassicci con masse milioni o miliardi di volte quella del sole (e i loro più piccoli omologhi di massa stellare) sono nel complesso piuttosto semplici. Possono essere definiti individualmente da solo tre caratteristiche: massa, rotazione e, meno importante, carica elettrica. Come ha spiegato spiritosamente il fisico John Wheeler questa mancanza di caratteristiche distintive: “i buchi neri non hanno capelli.”
“I buchi neri sembrano così esotici, ma puoi descriverli completamente con solo due numeri: massa e velocità di rotazione,” ha spiegato Fries. “Il problema è che la massa è difficile da misurare, e la rotazione è ancora più difficile.”
(Impressioni artistiche di un buco nero e del suo disco di accrescimento con diverse rotazioni. A destra, lo spettro multi-lunghezza d’onda corrispondente che sarebbe osservato in ciascuno. Credito immagine: Sinistra: NASA/JPL-Caltech Destra: Logan Fries e la collaborazione SDSS)
La velocità alla quale un buco nero ruota è difficile da distinguere dalla velocità alla quale ruota la nube appiattita di gas e polvere circostante — il disco di accrescimento. “La sfida sta nel separare la rotazione del buco nero dalla rotazione del disco di accrescimento che lo circonda,” ha detto Jonathan Trump, membro del team e ricercatore dell’Università del Connecticut, nella dichiarazione. “La chiave è guardare alla regione più interna, dove il gas sta cadendo nell’orizzonte degli eventi del buco nero. Un buco nero in rotazione trascina con sé quel materiale più interno, il che porta a una differenza osservabile quando guardiamo ai dettagli nelle nostre misurazioni.”
Un record fossile cosmico
Il team ha affrontato il compito impegnativo di determinare la rotazione dei buchi neri utilizzando il progetto di Mappatura della Riverberazione dell’SDSS. Questo progetto ha effettuato misurazioni di massa estremamente precise per centinaia di buchi neri, conducendo anche osservazioni dettagliate delle strutture dei dischi di accrescimento dei vuoti. Questi dati arrivano sotto forma di spettri, o luce emessa attraverso lo spettro elettromagnetico. Con questi dati, gli scienziati possono iniziare a misurare la velocità alla quale un buco nero centrale ruota. Un sottile spostamento nella lunghezza d’onda della luce rivela molto sulla rotazione del buco nero. Quando il materiale cade nel buco nero, porta con sé anche il momento angolare — quella rotazione rivela dettagli sulla dieta passata di un buco nero.
“Chiamo questo approccio ‘archeologia dei buchi neri’ perché stiamo cercando di capire come la massa di un buco nero sia cresciuta nel tempo,” ha detto Fries. “Guardando alla rotazione del buco nero, stai essenzialmente guardando il suo record fossile.”
Un’illustrazione di un buco nero supermassiccio nel cosmo primordiale. (Credito immagine: Robert Lea (creato con Canva))
Questo “record fossile” può essere decodificato quando gli scienziati confrontano la velocità di rotazione osservata con quella prevista. Attualmente, il modello favorito suggerisce che i buchi neri supermassicci crescano attraverso fusioni innescate quando le loro galassie ospiti si scontrano e si fondono. Poiché queste singole galassie hanno le proprie velocità di rotazione e orientamenti casuali, quando si fondono, queste rotazioni potrebbero annullarsi a vicenda. Oppure, almeno, potrebbero combinarsi insieme. Entrambi gli esiti dovrebbero essere ugualmente probabili. Dato questo, gli scienziati si aspettano che i buchi neri ruotino molto lentamente. Tuttavia, non è ciò che questo team ha scoperto.
Un grafico della rotazione osservata dei buchi neri nella storia dell’universo, dal passato al presente, da sinistra a destra. I punti colorati spessi rappresentano le rotazioni osservate dei buchi neri – il blu mostra la rotazione nella stessa direzione del disco di accrescimento, il grigio mostra poca o nessuna rotazione, e il rosso mostra la rotazione nella direzione opposta. L’ovale verde mostra ciò che ci si aspetterebbe dalla crescita dei buchi neri tramite accrescimento uniforme; l’ovale rosa mostra ciò che ci si aspetterebbe dalle fusioni. (Credito immagine: Sinistra: Logan Fries e la collaborazione SDSS In alto a destra: NASA, ESA, e The Hubble Heritage Team (STScI) In basso a destra: NASA/CXC/M.Weiss)
Non solo questa ricerca ha rivelato che molti buchi neri ruotano più rapidamente del previsto, ma ha anche mostrato che i buchi neri nelle galassie più distanti ruotano ancora più velocemente di quelli nell’universo locale. Questo suggerisce che la rotazione dei buchi neri potrebbe costruirsi gradualmente nel tempo. Un modo in cui ciò potrebbe accadere è attraverso l’accumulo di momento angolare da parte del buco nero tramite il suo graduale accrescimento di polvere e gas. I ricercatori potrebbero ulteriormente testare questa idea e verificare questi risultati utilizzando le osservazioni del James Webb Space Telescope (JWST), che, nei suoi tre anni di operatività, ha trovato buchi neri supermassicci da epoche sempre più antiche dell’universo.
“I buchi neri si trovano davvero alla frontiera della comprensione umana,” ha detto Juna Kollmeier, Direttore di SDSS-V, l’attuale fase dell’SDSS, nella dichiarazione. “Intraprendiamo indagini massive come l’SDSS per costruire un quadro astrofisico empirico delle loro proprietà fondamentali contro il quale i nostri modelli teorici possono essere messi alla prova.”
Fries ha presentato i risultati del team il 14 gennaio al 245° incontro della American Astronomical Society (AAS) a National Harbor, Maryland.