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La collisione tra due buchi neri potrebbe aver emesso della luce

29 giugno 2020
Quando due buchi neri si avvolgono l'uno attorno all'altro e alla fine si scontrano, generano increspature nello spazio e nel tempo chiamate onde gravitazionali. Poiché i buchi neri non emanano luce, non è previsto che questo genere di eventi possa emettere onde luminose o della radiazione elettromagnetica. Ma alcuni studiosi hanno previsto dei modi in cui una fusione tra buchi neri potrebbe emettere luce. Ora, per la prima volta, gli astronomi hanno riscontrato prove di uno di questi possibili scenari.

Con l'aiuto dello Zwicky Transient Facility (ZTF) della Caltech, finanziato dalla National Science Foundation (NSF) e situato presso l'Osservatorio Palomar vicino a San Diego, gli scienziati hanno individuato quello che potrebbe essere un bagliore di luce proveniente dal collasso di una coppia di buchi neri . La fusione dei buchi neri è stata osservata per la prima volta dai due osservatori sulle onde gravitazionali LIGO e l'europeo VIRGO il 21 maggio 2019, in un evento chiamato S190521g. Mentre i buchi neri si fondevano, facendo oscillare spazio e tempo, hanno infatti emesso onde gravitazionali.
Mentre ciò stava accadendo, lo ZTF stava eseguendo il suo rilevamento automatizzato del cielo che ha catturato tutti i tipi di oggetti che brillano, eruttano o mostrano variazioni nel cielo notturno. Il rilevamento ha osservato un brillamento, generato da un distante e attivo buco nero supermassiccio, o quasar, chiamato J1249+3449, individuato proprio nella regione dell'evento di onde gravitazionali S190521g.
"Questo buco nero supermassiccio stava borbottando da anni prima di questa emissione improvvisa", afferma Matthew Graham , professore di ricerca di astronomia presso la Caltech e scienziato del progetto ZTF. "Il bagliore si è verificato sia sulla scala temporale che nella posizione corretta per coincidere con l'evento riscontrato dalle onde gravitazionali. Nel nostro studio abbiamo concluso che il bagliore è probabilmente il risultato di una fusione tra buchi neri, anche se non possiamo escludere completamente altre possibilità". Graham è l'autore principale del nuovo studio pubblicato il 25 giugno, sulla rivista Physical Review Letters.
"ZTF è stato specificamente progettato per identificare nuovi, rari e variabili tipi di attività astronomica come questa", afferma Ralph Gaume, direttore della divisione di astronomia della NSF. "Il supporto della NSF alla nuova tecnologia continua ad espandere i modi in cui possiamo tenere traccia di tali eventi."

Ma come fanno due buchi neri che si stanno fondendo a emettere luce? Nello scenario delineato da Graham e dai suoi colleghi, i due buchi neri sono incastonati in un disco di accrescimento che circonda un buco nero molto più grande.
"Al centro della maggior parte delle galassie si nasconde un buco nero supermassiccio. È circondato da uno sciame di stelle e stelle morte, compresi altri buchi neri", afferma il co-autore K.E. Saavik Ford della City University di New York (CUNY) Graduate Center, del Borough of Manhattan Community College (BMCC) e dell'American Museum of Natural History (AMNH). "Questi oggetti brulicano come api arrabbiate attorno alla mostruosa ape regina al centro. Possono trovare rapidamente dei partner gravitazionali con i quali fondersi ma di solito perdono altrettanto velocemente il loro partner in questa danza folle. Ma all'interno del disco di un buco nero supermassiccio, il gas che scorre tutto attorno converte questo "moshpit" dello sciame in un classico minuetto, coordinando i buchi neri in modo che possano fondersi", dice.
Una volta che i buchi neri si sono fusi, il nuovo buco nero ora più grande subisce una spinta che lo manda in una direzione casuale e procede faticosamente attraverso il gas del disco. "È la reazione del gas contro questo proiettile sparato attraverso di esso che crea un bagliore luminoso, visibile con i telescopi" afferma il co-autore Barry McKernan.
Si prevede che tale bagliore inizi giorni o settimane dopo l'emissione iniziale delle onde gravitazionali prodotte durante la fusione. In questo caso lo ZTF non aveva subito catturato l'evento, ma quando gli scienziati sono tornati indietro e hanno guardato attraverso le immagini archiviate ZTF diversi mesi dopo, hanno trovato un segnale che partito diversi giorni dopo l'evento delle onde gravitazionali rilevate nel maggio 2019. Lo ZTF ha in seguito osservato il bagliore attenuarsi lentamente nel giro di un mese.

Gli scienziati hanno tentato di dare uno sguardo più dettagliato alla luce emessa dal buco nero supermassiccio, ovvero il suo spettro, ma quando hanno osservato la zona il bagliore era già svanito. Uno spettro avrebbe offerto più supporto all'idea che il bagliore provenisse dalla fusione dei buchi neri all'interno del disco del buco nero supermassiccio. Tuttavia, i ricercatori affermano di essere stati in grado di escludere ampiamente altre possibili cause del bagliore osservato, tra cui una supernova o un evento di disturbo delle maree, che si verifica quando un buco nero "mangia" un'altra stella.
Inoltre, il team afferma che è improbabile che il bagliore provenga dai soliti "rumori" emessi dal buco nero supermassiccio, che si nutre regolarmente del suo disco circostante. Usando il Catalina Real-Time Transient Survey, gestito dalla Caltech, sono stati in grado di valutare il comportamento del buco nero negli ultimi 15 anni e hanno scoperto che la sua attività era relativamente normale fino appunto al maggio del 2019, quando si è improvvisamente intensificata.
"I buchi neri supermassicci come questo hanno sempre dei brillamenti, non sono oggetti silenziosi. Ma i tempi, le dimensioni e la posizione di questo bagliore erano spettacolari", afferma il coautore Mansi Kasliwal un assistente professore di astronomia presso Caltech. "Il motivo per il quale la ricerca di brillamenti come questo è così importante è che aiuta enormemente a rispondere a domande fondamentali di astrofisica e cosmologia. Se possiamo farlo di nuovo e rilevare così la luce proveniente dalle fusioni di altri buchi neri, allora possiamo definire con precisione gli habitat di questi buchi neri e scoprire di più sulle loro origini ".
Il buco nero appena formato dovrebbe aver provocato un altro brillamento visibile nei prossimi anni. Il processo di fusione ha dato all'oggetto una spinta che dovrebbe farlo rientrare nel disco del buco nero supermassiccio, producendo così un altro lampo di luce che ZTF dovrebbe essere in grado di osservare.

fonti: Caltech (California Institute of Technology)

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