Scoperta inaspettata di un collegamento tra i getti del buco nero e le galassie che li ospitano

Nel nostro studio pubblicato oggi, 14 novembre 2024, sulla rivista Astronomia della natura dimostriamo che esiste una connessione tra la regione vicino a un buco nero e la sua galassia ospite perché i getti emessi dal buco nero sono allineati con il resto della galassia.

Una nuova analisi dei dati del radiotelescopio collega le forme delle galassie ai buchi neri che ospitano. I buchi neri non sono diversi. Sono sempre di un colore (nero) e di una forma (sferica). L’unica qualità che può variare da un buco nero all’altro è la massa.

In generale, i buchi neri che abbiamo rilevato sono buchi neri di massa stellare o buchi neri supermassicci. I buchi neri di massa stellare sono vicini alla massa del nostro Sole (10³⁰ kg) e la dimensione di una città. I buchi neri supermassicci sono molto più massicci (un milione di volte la massa del Sole) e hanno all’incirca le dimensioni del Sistema Solare. Tuttavia, per quanto massicci siano questi buchi neri, hanno comunque una massa piuttosto bassa, spesso ben al di sotto dell’1% della massa stellare totale della galassia. Sono anche molto più piccole delle galassie che le ospitano, nell’ordine di un milione di volte il loro raggio.

Un allineamento su scale molto diverse

Nei nuovi risultati che pubblichiamo oggi novembre 14 a Astronomia della naturaabbiamo scoperto che esiste una connessione tra la regione vicina al buco nero e la galassia ospite, perché i getti emessi dal buco nero sono allineati con il resto della galassia, nonostante le scale molto diverse.

I buchi neri supermassicci sono piuttosto rari. La nostra galassia, la Via Lattea, ne ha una (chiamata Sagittarius A* per la costellazione in cui si trova) al suo centro. Sembra che tutte le galassie ospitino uno (o talvolta due) buchi neri supermassicci nel loro nucleo. I centri, o nuclei, di queste galassie distanti possono diventare attivi, poiché polvere e gas vengono attirati verso il nucleo sotto l’attrazione gravitazionale del buco nero.

Non cadono immediatamente, perché ruotano notevolmente e formano un disco caldo di materiale, chiamato disco di accrescimento. Questo disco di accrescimento, a causa del suo intenso campo magnetico, genera a sua volta un getto surriscaldato di particelle cariche che vengono espulse dal nucleo a velocità molto elevate, prossime a quella della luce. Quando ciò accade, si parla di quasar (sorgente di radiazione quasi stellare).

Un telescopio delle dimensioni della Terra

Un modo comune per studiare i getti dei quasar è utilizzare l’interferometria di base molto lunga (VLBI). Il VLBI consente a diversi radiotelescopi di lavorare in tandem, trasformandoli in un unico telescopio delle dimensioni della Terra. La risoluzione spaziale è poi molto più elevata di quella ottenuta con i telescopi ottici o infrarossi.

Questo “occhio massiccio” è molto più efficace nel risolvere i dettagli più piccoli di qualsiasi singolo telescopio, consentendo agli astronomi di vedere oggetti e strutture molto più piccoli di quelli visibili ad occhio nudo o anche con un telescopio ottico. Questa è la tecnica utilizzata per creare la “immagine del buco nero” per l’alone di luce generato dal buco nero supermassiccio ospitato dalla galassia M87.

Pertanto, grazie a questo approccio ad alta risoluzione, il VLBI consente agli astronomi di studiare questi getti fino a pochi anni luce o meno dalla loro origine: il buco nero. La direzione del getto su scala così piccola ci dice l’orientamento del disco di accrescimento, e quindi potenzialmente le proprietà del buco nero stesso. E questo è attualmente l’unico modo per ottenere tali dati.

E che dire delle stesse galassie ospiti? Una galassia è un oggetto tridimensionale, composto da centinaia di miliardi di stelle. Ma ci appare (osservato otticamente o nell’infrarosso) in proiezione, sia come un’ellisse 2D che come una spirale.

Possiamo misurare la forma di queste galassie, tracciando il profilo della luce stellare, e misurare l’asse maggiore e l’asse minore della forma bidimensionale.

Nel nostro articolo, recentemente pubblicato su Nature Astronomy, abbiamo confrontato la direzione dei getti dei quasar con la direzione dell’asse minore dell’ellisse della galassia e abbiamo scoperto che sono collegati. Ciò è sorprendente, perché il buco nero è così piccolo (il getto che misuriamo è lungo solo pochi anni luce), rispetto alla galassia ospite (che può essere larga centinaia di migliaia di anni luce). È sorprendente che un oggetto così piccolo (relativamente) possa influenzare, o essere influenzato, dall’ambiente su scala così ampia. Ci si potrebbe aspettare di vedere una correlazione tra il getto e l’ambiente locale, ma non con la galassia nel suo insieme.

Questo ha qualcosa da dire su come si formano le galassie? Le galassie a spirale a volte entrano in collisione con altre galassie a spirale e formano galassie ellittiche, che appaiono nel cielo come ellissi. Durante il processo di fusione, il fenomeno dei quasar si innesca in modi che non comprendiamo appieno. È per questo motivo che quasi tutti i getti che possono essere rilevati utilizzando il VLBI sono ospitati in galassie ellittiche.

L’esatta interpretazione del risultato rimane misteriosa, ma è importante nel contesto della recente scoperta da parte del James Webb Space Telescope di quasar molto massicci (con buchi neri supermassicci), che si sono formati nell’universo molto prima del previsto. È chiaro che la nostra comprensione della formazione delle galassie e dell’influenza dei buchi neri su questo fenomeno deve essere aggiornata.