I buchi neri sono una delle forze più intriganti e maestose della natura. Sono anche uno dei più misteriosi a causa del modo in cui le regole della fisica convenzionale si rompono in loro presenza. Nonostante decenni di ricerche e osservazioni, c'è ancora molto che non sappiamo su di loro. In effetti, fino a poco tempo fa, gli astronomi non avevano mai visto un immagine del buco nero e non erano in grado di valutare la loro massa.
Tuttavia, un team di fisici dal Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca (MIPT) ha recentemente annunciato di aver escogitato un modo per indirettamente misurare la massa di un buco nero pur confermandone l'esistenza. In un recente studio, hanno mostrato come hanno testato questo metodo sul buco nero supermassiccio recentemente ripreso al centro del Messier 87 galassia attiva.
Lo studio è apparso nel numero di agosto delAvvisi mensili della Royal Astronomical Society. Oltre ai ricercatori del MIPT, il team includeva membri con sede nei Paesi Bassi Istituto Congiunto per VLBI ERIC (JIVE), il Istituto di Astronomia e Astrofisica dell'Academia Sinica a Taiwan, e la NOAJ's Osservatorio Mizusawa VLBI in Giappone.
Rappresentazione artistica di un nucleo galattico attivo (AGN) al centro di una galassia. Credito: NASA/CXC/M.Weiss
Per decenni, gli astronomi hanno saputo che la maggior parte delle galassie massicce ha un buco nero supermassiccio (SMBH) al loro centro. La presenza di questo SMBH porta a una notevole quantità di attività nel nucleo, dove gas e polvere cadono in un disco di accrescimento e accelerano a velocità che li fanno emettere luce, così come radio, microonde, raggi X e gamma- radiazione dei raggi.
Per alcune galassie, la quantità di radiazione prodotta dalla regione del nucleo è così brillante da sopraffare la luce proveniente da tutte le stelle nel suo disco messe insieme. Queste sono note come galassie Active Galactic Nuclei (AGN) poiché hanno nuclei attivi e altre galassie sono relativamente 'tranquille'. Un altro identificatore rivelatore che una galassia è attiva sono i lunghi raggi di materia surriscaldata che si estendono.
Queste ' getti relativistici “, che possono estendersi per milioni di anni luce verso l'esterno, sono così chiamati perché il materiale al loro interno è accelerato a una frazione della velocità della luce. Sebbene questi getti non siano ancora completamente compresi, l'attuale consenso è che siano prodotti da un certo 'effetto motore' causato da un SMBH in rapida rotazione.
Un buon esempio di galassia attiva con un getto relativistico è Messier 87 (alias Virgo A), una galassia supergigante situata nella direzione della costellazione della Vergine. Questa galassia è la galassia attiva più vicina alla Terra, e quindi una delle meglio studiate. Scoperto originariamente nel 1781 da Charles Messier (che lo scambiò per una nebulosa), da allora è stato studiato regolarmente. Nel 1918, il suo getto ottico divenne il primo del suo genere ad essere osservato.
Grazie alla sua vicinanza, gli astronomi sono stati in grado di studiare meticolosamente il getto di Messier 87, mappandone la struttura e le velocità del plasma e misurando temperature e densità di particelle vicino al flusso del getto. I confini del getto sono stati studiati nei minimi dettagli e i ricercatori hanno scoperto che era omogeneo lungo la sua lunghezza e cambiava forma man mano che si estendeva (passando da parabolico a conico).
Tutte queste osservazioni hanno permesso agli astronomi di testare ipotesi riguardanti la struttura delle galassie attive e la relazione tra i cambiamenti nella forma del getto e l'influenza del buco nero nel nucleo galattico. In questo caso, il team di ricerca internazionale ha approfittato di questa relazione e per determinare la massa di M87s SMBH.
Il team si è anche basato su modelli teorici che prevedono la rottura di un getto, il che ha permesso loro di creare un modello in cui la massa di un SMBH avrebbe riprodotto accuratamente la forma osservata del getto di M87. Misurando la larghezza del getto e la distanza tra il nucleo e la rottura della sua forma, hanno anche scoperto che il confine del getto dell'M87 è costituito da due segmenti con due curve distinte.
Alla fine, la combinazione di modelli teorici, osservazioni e calcoli al computer ha permesso al team di ottenere una misurazione indiretta della massa e della velocità di rotazione del buco nero. Questo studio non solo fornisce un nuovo modello per la stima del buco nero e un nuovo mezzo di misurazione per i getti, ma conferma anche le ipotesi alla base della struttura dei getti.
La prima prova visiva diretta del buco nero supermassiccio al centro di Messier 87 e della sua ombra, ottenuta dall'EHT. Credito: collaborazione EHT
In sostanza, i risultati del team descrivono il getto come un flusso di fluido magnetizzato, la cui forma è determinata dal campo elettromagnetico al suo interno. Questo, a sua volta, dipende da cose come la velocità e la carica delle particelle del getto, la corrente elettrica all'interno del getto e la velocità con cui l'SMBH accumula materia dal disco circostante.
L'interazione tra tutti questi fattori è ciò che dà origine alla rottura osservata nella forma di un getto, che può quindi essere utilizzata per estrapolare la massa di SMBH e la velocità di rotazione. Elena Nokhrina, vice capo del laboratorio MIPT coinvolto nello studio e autrice principale dell'articolo del team, descrive il metodo che hanno sviluppato nel seguendo la via :
“Il nuovo metodo indipendente per la stima della massa e dello spin del buco nero è il risultato chiave del nostro lavoro. Anche se la sua precisione è paragonabile a quella dei metodi esistenti, ha il vantaggio di avvicinarci all'obiettivo finale. Vale a dire, perfezionare i parametri del 'motore' principale per comprenderne più a fondo la natura'.
Grazie alla disponibilità di sofisticati strumenti per lo studio degli SMBH (come l'Event Horizon Telescope) e di telescopi spaziali di prossima generazione che saranno presto operativi, non ci vorrà molto prima che questo nuovo modello venga testato a fondo. Un buon candidato sarebbe Sagittarius A*, l'SMBH al centro della nostra galassia che si stima sia compreso tra 3,5 milioni e 4,7 milioni di masse solari.
Oltre a porre vincoli più precisi su questa massa, osservazioni future potrebbero anche determinare quanto sia attivo (o inattivo) il nucleo della nostra galassia. Questi e altri misteri del buco nero ti aspettano!