Gli astronomi scoprono il buco nero più vicino alla Terra

 

Il telescopio Gemini North alle Hawaii rivela il primo buco nero dormiente di massa stellare nel nostro cortile cosmico

Gli astronomi che utilizzano l'International Gemini Observatory, gestito dal NOIRLab di NSF, hanno scoperto il buco nero più vicino alla Terra conosciuto. Questa è la prima rilevazione inequivocabile di un buco nero di massa stellare dormiente nella Via Lattea. La sua vicinanza alla Terra, a soli 1600 anni luce di distanza, offre un interessante obiettivo di studio per migliorare la nostra comprensione dell'evoluzione dei sistemi binari.

I buchi neri sono gli oggetti più estremi dell'Universo. Versioni supermassicci di questi oggetti inimmaginabilmente densi probabilmente risiedono al centro di tutte le grandi galassie. I buchi neri di massa stellare - che pesano da cinque a 100 volte la massa del Sole - sono molto più comuni, con una stima di 100 milioni nella sola Via Lattea. Solo una manciata è stata confermata fino ad oggi, tuttavia, e quasi tutti questi sono "attivi", il che significa che brillano brillantemente nei raggi X mentre consumano materiale da una vicina compagna stellare, a differenza dei buchi neri dormienti che non lo fanno.

Gli astronomi che utilizzano il telescopio Gemini North alle Hawaii, uno dei telescopi gemelli dell'International Gemini Observatory, gestito dal NOIRLab della NSF, hanno scoperto il buco nero più vicino alla Terra, che i ricercatori hanno soprannominato Gaia BH1. Questo buco nero dormiente è circa 10 volte più massiccio del Sole e si trova a circa 1600 anni luce di distanza nella costellazione di Ofiuco, il che lo rende tre volte più vicino alla Terra rispetto al precedente detentore del record, un binario di raggi X nella costellazione del Monoceros . La nuova scoperta è stata resa possibile effettuando squisite osservazioni del movimento della compagna del buco nero, una stella simile al Sole che orbita attorno al buco nero all'incirca alla stessa distanza della Terra orbita attorno al Sole.

"Prendi il Sistema Solare, metti un buco nero dove si trova il Sole e il Sole dove si trova la Terra, e ottieni questo sistema", ha spiegato Kareem El-Badry, astrofisico del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian e il Max Planck Institute for Astronomy e l'autore principale dell'articolo che descrive questa scoperta. “Sebbene siano stati molti i rilevamenti dichiarati di sistemi come questo, quasi tutte queste scoperte sono state successivamente confutate. Questa è la prima rivelazione inequivocabile di una stella simile al Sole in un'ampia orbita attorno a un buco nero di massa stellare nella nostra Galassia".

Sebbene ci siano probabilmente milioni di buchi neri di massa stellare che vagano per la Via Lattea, quei pochi che sono stati rilevati sono stati scoperti dalle loro interazioni energetiche con una stella compagna. Quando il materiale di una stella vicina si muove a spirale verso il buco nero, si surriscalda e genera potenti raggi X e getti di materiale. Se un buco nero non si sta alimentando attivamente (cioè è dormiente) si fonde semplicemente con l'ambiente circostante.

"Ho cercato buchi neri dormienti negli ultimi quattro anni utilizzando un'ampia gamma di set di dati e metodi", ha affermato El-Badry. "I miei tentativi precedenti, così come quelli di altri, hanno prodotto un serraglio di sistemi binari mascherati da buchi neri, ma questa è la prima volta che la ricerca ha dato i suoi frutti".

Il team ha originariamente identificato il sistema come potenzialmente sede di un buco nero analizzando i dati della navicella spaziale Gaia dell'Agenzia spaziale europea. Gaia ha catturato le minuscole irregolarità nel movimento della stella causate dalla gravità di un oggetto massiccio invisibile. Per esplorare il sistema in modo più dettagliato, El-Badry e il suo team si sono rivolti allo strumento Gemini Multi-Object Spectrograph su Gemini North, che ha misurato la velocità della stella compagna mentre orbitava attorno al buco nero e ha fornito una misurazione precisa del suo periodo orbitale. Le osservazioni di follow-up di Gemini sono state cruciali per vincolare il movimento orbitale e quindi le masse dei due componenti nel sistema binario, consentendo al team di identificare il corpo centrale come un buco nero circa 10 volte più massiccio del nostro Sole.

"Le nostre osservazioni di follow-up sui Gemelli hanno confermato oltre ogni ragionevole dubbio che la binaria contiene una stella normale e almeno un buco nero dormiente", ha elaborato El-Badry. "Non siamo riusciti a trovare uno scenario astrofisico plausibile che possa spiegare l'orbita osservata del sistema che non coinvolge almeno un buco nero".

Il team ha fatto affidamento non solo sulle superbe capacità di osservazione di Gemini North, ma anche sulla capacità di Gemini di fornire dati in tempi stretti, poiché il team aveva solo una breve finestra in cui eseguire le osservazioni di follow-up.

“Quando abbiamo avuto le prime indicazioni che il sistema conteneva un buco nero, avevamo solo una settimana prima che i due oggetti fossero alla massima separazione nelle loro orbite. Le misurazioni a questo punto sono essenziali per effettuare stime di massa accurate in un sistema binario", ha affermato El-Badry. “La capacità di Gemini di fornire osservazioni in tempi brevi è stata fondamentale per il successo del progetto. Se avessimo perso quella stretta finestra, avremmo dovuto aspettare un altro anno".

Gli attuali modelli degli astronomi dell'evoluzione dei sistemi binari hanno difficoltà a spiegare come potrebbe essere sorta la peculiare configurazione del sistema Gaia BH1. In particolare, la stella progenitrice che in seguito si è trasformata nel buco nero appena rilevato sarebbe stata almeno 20 volte più massiccia del nostro Sole. Ciò significa che avrebbe vissuto solo pochi milioni di anni. Se entrambe le stelle si fossero formate contemporaneamente, questa stella massiccia si sarebbe rapidamente trasformata in una supergigante, gonfiandosi e inghiottendo l'altra stella prima che avesse il tempo di diventare una vera e propria stella di sequenza principale, che brucia idrogeno, come il nostro Sole.

Non è per niente chiaro come la stella di massa solare possa essere sopravvissuta a quell'episodio, finendo come una stella apparentemente normale, come indicano le osservazioni del binario del buco nero. I modelli teorici che consentono la sopravvivenza prevedono tutti che la stella di massa solare avrebbe dovuto finire su un'orbita molto più stretta di quella effettivamente osservata.

Ciò potrebbe indicare che ci sono importanti lacune nella nostra comprensione di come si formano ed evolvono i buchi neri nei sistemi binari e suggerisce anche l'esistenza di una popolazione ancora inesplorata di buchi neri dormienti nei binari.

"È interessante notare che questo sistema non è facilmente adattabile ai modelli di evoluzione binaria standard", ha concluso El-Badry. "Pone molte domande su come si è formato questo sistema binario e su quanti di questi buchi neri dormienti ci sono là fuori".

“Come parte di una rete di osservatori spaziali e terrestri, Gemini North non ha solo fornito prove evidenti del buco nero più vicino fino ad oggi, ma anche del primo sistema di buchi neri incontaminati, non ingombrato dal solito gas caldo che interagisce con il buco nero ”, ha affermato Martin Still, responsabile del programma Gemini di NSF. "Sebbene questo possa potenzialmente augurare future scoperte della prevista popolazione di buchi neri dormienti nella nostra Galassia, le osservazioni lasciano anche un mistero da risolvere: nonostante una storia condivisa con il suo vicino esotico, perché la stella compagna in questo sistema binario è così normale?"

Le osservazioni di Gemini North sono state effettuate nell'ambito di un programma temporale discrezionale di un regista (ID programma: GN-2022B-DD-202).

L'Osservatorio Internazionale  è gestito da una partnership di sei paesi, inclusi gli Stati Uniti attraverso la National Science Foundation, il Canada attraverso il Consiglio Nazionale delle Ricerche del Canada, il Cile attraverso l'Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, il Brasile attraverso il Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações, Argentina attraverso il Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación, e Corea attraverso il Korea Astronomy and Space Science Institute. Questi partecipanti e l'Università delle Hawaii, che ha accesso regolare a Gemini, mantengono ciascuno un "Ufficio nazionale dei gemelli" per supportare i propri utenti locali.

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