Gli astronomi del MIT, della NASA e di altri paesi hanno trovato un nuovo modo per misurare la velocità di rotazione di un buco nero, utilizzando le conseguenze traballanti del suo banchetto stellare.
Il metodo sfrutta un evento di perturbazione mareale del buco nero, un momento estremamente luminoso in cui un buco nero esercita una marea su una stella di passaggio e la fa a pezzi. Quando la stella viene sconvolta dalle immense forze di marea del buco nero, metà della stella viene spazzata via, mentre l’altra metà viene scagliata intorno al buco nero, generando un disco di accrescimento intensamente caldo di materiale stellare in rotazione.
Il team guidato dal MIT ha dimostrato che l’oscillazione del disco di accrescimento appena creato è fondamentale per capire la rotazione intrinseca del buco nero centrale.
In uno studio pubblicato su Nature, gli astronomi riferiscono di aver misurato lo spin di un vicino buco nero supermassiccio seguendo l’andamento dei lampi di raggi X prodotti dal buco nero subito dopo un evento di perturbazione mareale.
Il team ha seguito i lampi per diversi mesi e ha stabilito che probabilmente erano il segnale di un disco di accrescimento luminoso e caldo che oscillava avanti e indietro, spinto e tirato dalla rotazione del buco nero stesso.
Seguendo l’andamento dell’oscillazione del disco nel tempo, gli scienziati hanno potuto capire quanto il disco fosse influenzato dalla rotazione del buco nero e, di conseguenza, a quale velocità ruotasse il buco nero stesso. L’analisi ha mostrato che il buco nero ruotava a meno del 25% della velocità della luce, una velocità relativamente bassa, per quanto riguarda i buchi neri.
L’autore principale dello studio, il ricercatore del MIT Dheeraj “DJ” Pasham, afferma che il nuovo metodo potrebbe essere utilizzato nei prossimi anni per misurare le rotazioni di centinaia di buchi neri nell’universo locale. Se gli scienziati riusciranno a rilevare le rotazioni di molti buchi neri vicini, potranno iniziare a capire come si sono evoluti i giganti gravitazionali nel corso della storia dell’universo.
“Studiando diversi sistemi nei prossimi anni con questo metodo, gli astronomi potranno stimare la distribuzione complessiva delle rotazioni dei buchi neri e comprendere l’annosa questione della loro evoluzione nel tempo”, spiega Pasham, membro del Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT.
Tra i coautori dello studio ci sono collaboratori di diverse istituzioni, tra cui la NASA, l’Università Masaryk nella Repubblica Ceca, l’Università di Leeds, l’Università di Syracuse, l’Università di Tel Aviv, l’Accademia delle Scienze polacca e altre ancora.
Calore tritato
Ogni buco nero ha una rotazione intrinseca che è stata modellata dai suoi incontri cosmici nel corso del tempo. Se, ad esempio, un buco nero è cresciuto principalmente per accrescimento (brevi istanti in cui del materiale cade sul disco), questo fa sì che il buco nero ruoti fino a velocità piuttosto elevate. Al contrario, se un buco nero cresce principalmente grazie alla fusione con altri buchi neri, ogni fusione potrebbe rallentare le cose, poiché lo spin di un buco nero si scontra con lo spin dell’altro.
Quando un buco nero ruota, trascina con sé lo spazio-tempo circostante. Questo effetto di trascinamento è un esempio di precessione Lense-Thirring, una teoria di lunga data che descrive i modi in cui campi gravitazionali estremamente forti, come quelli generati da un buco nero, possono tirare lo spazio e il tempo circostanti. Normalmente, questo effetto non sarebbe evidente nei pressi dei buchi neri, poiché questi oggetti massicci non emettono luce.
Ma negli ultimi anni i fisici hanno proposto che, in casi come quello di un evento di perturbazione mareale, o TDE, gli scienziati potrebbero avere la possibilità di seguire la luce dei detriti stellari mentre vengono trascinati. Quindi, potrebbero sperare di misurare lo spin del buco nero.
In particolare, durante una TDE, gli scienziati prevedono che una stella possa cadere su un buco nero da qualsiasi direzione, generando un disco di materiale bianco e incandescente che potrebbe essere inclinato, o disallineato, rispetto alla rotazione del buco nero. (Immaginate il disco di accrescimento come una ciambella inclinata che gira intorno a un buco nero che ha una propria rotazione separata).
Quando il disco incontra la rotazione del buco nero, oscilla mentre il buco nero lo trascina verso l’allineamento. Alla fine, l’oscillazione si attenua quando il disco si assesta nella rotazione del buco nero. Gli scienziati avevano previsto che il disco oscillante di un TDE avrebbe dovuto essere una firma misurabile dello spin del buco nero.
“Ma la chiave era avere le giuste osservazioni”, dice Pasham. “L’unico modo per farlo è che, non appena si verifica un evento di perturbazione mareale, è necessario disporre di un telescopio che osservi l’oggetto in modo continuo, per un periodo di tempo molto lungo, in modo da poter sondare tutti i tipi di scala temporale, dai minuti ai mesi”.
Una cattura ad alta cadenza
Negli ultimi cinque anni, Pasham ha cercato eventi di perturbazione mareale che fossero abbastanza luminosi e vicini da poterli seguire rapidamente per individuare segni di precessione di Lense-Thirring. Nel febbraio del 2020, lui e i suoi colleghi sono stati fortunati, con il rilevamento di AT2020ocn, un lampo luminoso, emanato da una galassia distante circa un miliardo di anni luce, che è stato inizialmente individuato nella banda ottica dalla Zwicky Transient Facility.
Dai dati ottici, il lampo è apparso come i primi istanti successivi a un TDE. Essendo luminoso e relativamente vicino, Pasham ha sospettato che il TDE potesse essere il candidato ideale per cercare segni di oscillazione del disco ed eventualmente misurare lo spin del buco nero al centro della galassia ospite. Ma per farlo, avrebbe avuto bisogno di molti più dati.
“Avevamo bisogno di dati rapidi e ad alta cadenza”, dice Pasham. “La chiave era cogliere l’evento in anticipo, perché questa precessione, o oscillazione, dovrebbe essere presente solo all’inizio. Se si verificasse più tardi, il disco non oscillerebbe più”.
Il team ha scoperto che il telescopio NICER della NASA è stato in grado di rilevare la TDE e di tenerla costantemente sotto controllo per mesi. NICER – abbreviazione di Neutron star Interior Composition ExploreR – è un telescopio a raggi X sulla Stazione Spaziale Internazionale che misura la radiazione a raggi X intorno ai buchi neri e ad altri oggetti gravitazionali estremi.
Pasham e i suoi colleghi hanno esaminato le osservazioni del NICER di AT2020ocn nei 200 giorni successivi alla rilevazione iniziale dell’evento di perturbazione mareale. Hanno scoperto che l’evento emetteva raggi X che sembravano avere un picco ogni 15 giorni, per diversi cicli, prima di esaurirsi.
Hanno interpretato i picchi come momenti in cui il disco di accrescimento del TDE oscillava a faccia in su, emettendo raggi X direttamente verso il telescopio del NICER, prima di allontanarsi continuando a emettere raggi X (come se si agitasse una torcia elettrica verso e lontano da qualcuno ogni 15 giorni).
I ricercatori hanno preso questo modello di oscillazione e lo hanno inserito nella teoria originale della precessione Lense-Thirring. Sulla base delle stime della massa del buco nero e di quella della stella perturbata, sono riusciti a stimare la velocità di rotazione del buco nero, inferiore al 25% della velocità della luce.
I risultati segnano la prima volta che gli scienziati hanno utilizzato le osservazioni di un disco oscillante in seguito a un evento di perturbazione mareale per stimare lo spin di un buco nero. Con l’entrata in funzione, nei prossimi anni, di nuovi telescopi come l’Osservatorio Rubin, Pasham prevede ulteriori opportunità di individuare le rotazioni dei buchi neri.
“Lo spin di un buco nero supermassiccio ci parla della sua storia”, spiega Pasham. “Anche se una piccola frazione di quelli catturati da Rubin ha questo tipo di segnale, ora abbiamo un modo per misurare gli spin di centinaia di TDE. Potremmo quindi fare una grande dichiarazione su come i buchi neri si evolvono nel corso dell’età dell’universo”.
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