Questa immagine mostra il rendering di un artista delle regioni interne di un quasar alimentato da un buco nero supermassiccio al centro. Mentre il disco di gas e polvere cade nel buco nero, le alte temperature creano luce. Le differenze in questa luce possono aiutare gli astronomi a misurare la massa del buco nero.
(Immagine: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / collaborazione SDSS)
I buchi neri mostruosi si nascondono nei centri della maggior parte delle galassie nell'universo e ora una nuova tecnica sta aiutando gli scienziati a misurare la massa di alcuni dei più grandi buchi neri nell'universo, anche quando giacciono al centro di centri molto deboli, distanti galassie. Il nuovo approccio potrebbe migliorare notevolmente la comprensione degli scienziati su come questi behemoth si formano e si evolvono e su come influenzano l'evoluzione della galassia.
"Questa è la prima volta che misuriamo direttamente le masse per così tanti buchi neri supermassicci così lontani", ha detto Catherine Grier, un membro post dottorato presso Penn State, in una dichiarazione dello Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier ha guidato un progetto per misurare le masse di una vasta gamma di cosiddetti buchi neri supermassicci utilizzando i dati SDSS. Ha riferito i risultati martedì (9 gennaio) alla riunione della American Astronomical Society a National Harbor, nel Maryland.
"Queste nuove misurazioni e misurazioni future come queste forniranno informazioni vitali per le persone che studiano come le galassie crescono e si evolvono nel tempo cosmico", ha detto Grier. [Immagini: Black Holes of the Universe]
Buchi neri di misura di massa
Sulla base di decenni di osservazioni galattiche, gli astronomi ora teorizzano che il cuore di quasi ogni grande galassia contiene un buco nero supermassiccio (SMBH). Queste mostruose bestie possono essere milioni o miliardi di volte più massicce del sole della Terra. I buchi neri non irradiano o riflettono la luce, quindi questi SMBH non possono essere visti direttamente. Ma mentre la gravità di un SMBH attira polvere e gas dalla galassia circostante, crea un disco vorticoso di materiale che cade nel buco nero. Quel materiale in caduta si riscalda e inizia a irradiare luce, rendendo "visibile" il buco nero (anche se indirettamente). In alcuni casi, la luce di questi dischi diventa più luminosa di tutte le stelle della galassia; queste galassie incredibilmente luminose vengono quindi chiamate nuclei galattici attivi (AGN). Gli AGN più brillanti sono chiamati quasar, che gli astronomi possono vedere attraverso l'universo visibile; indicano la presenza di un buco nero supermassiccio, secondo l'affermazione.
I buchi neri hanno solo tre proprietà misurabili: massa, rotazione e carica, quindi il calcolo della massa è una parte enorme della comprensione di un singolo buco nero. Nelle galassie vicine, gli astronomi possono osservare come gruppi di stelle e gas si muovono attorno al centro galattico e usare questi movimenti per dedurre la massa del buco nero centrale. Ma galassie distanti si trovano così lontano che i telescopi non sono in grado di risolvere le stelle e le nuvole di materiale attorno al buco nero, secondo l'affermazione.
Una tecnica nota come mappatura del riverbero ha permesso agli astronomi di misurare le masse di questi buchi neri periferici. In primo luogo, i ricercatori confrontano la luminosità del gas radiante nella regione esterna della galassia con la luminosità del gas presente nella regione interna della galassia. (Questa regione interna, molto vicino al buco nero, è conosciuta come la regione del continuum). Il gas nella regione del continuum influenza il gas in rapido movimento più lontano. Tuttavia, la luce impiega tempo per spostarsi verso l'esterno, o riverberarsi, causando un ritardo tra i cambiamenti osservati nella regione interna e il loro effetto sulla regione esterna. Misurare il ritardo rivela quanto è distante il disco esterno di gas dal buco nero. Insieme alla sua velocità di rotazione attorno alla galassia, ciò consente agli astronomi di misurare la massa della SMBH, Grier ha detto a Space.com in una e-mail.
Ma il processo è dolorosamente lento. Per osservare l'effetto di riverbero, una singola galassia deve essere studiata più volte per diversi mesi, mentre i quasar distanti possono richiedere diversi anni di osservazioni ripetute, affermano i ricercatori nell'affermazione. Negli ultimi 20 anni, gli astronomi sono riusciti a utilizzare la tecnica del riverbero solo per circa 60 SMBH nelle galassie vicine e una manciata di quasar distanti.
Come parte del progetto di mappatura del riverbero SDSS, Grier e i suoi colleghi hanno iniziato a mappare gli SMBH più velocemente di quanto precedentemente possibile. La chiave di questa mappatura più rapida viene dal telescopio grandangolare dedicato del progetto, situato presso l'Opache Point Observatory di Sunspot, nel New Mexico, che può raccogliere dati su più quasar contemporaneamente, secondo Grier. Attualmente sta osservando una macchia di cielo che contiene circa 850 quasar.
I ricercatori hanno osservato i quasar con il Canada-Francia-Hawaii-Telescope alle Hawaii e lo Steward Observatory Bok Telescope in Arizona per calibrare le loro misurazioni di oggetti incredibilmente deboli. In totale, i ricercatori hanno ora misurato i ritardi del tempo di riverbero per 44 quasar e hanno usato quelle misurazioni per calcolare le masse del buco nero che vanno da 5 milioni a 1,7 miliardi di volte la massa del sole della Terra, secondo la dichiarazione.
"Questo è un grande passo in avanti per la scienza quasar", ha dichiarato Aaron Barth, professore di astronomia all'Università della California, Irvine, che non è stato coinvolto nella ricerca del team. "Hanno dimostrato per la prima volta che queste difficili misurazioni possono essere fatte in modalità di produzione di massa."
Le nuove misurazioni aumentano il numero totale di misurazioni di massa SMBH galattiche di circa due terzi. Poiché molte di queste galassie sono molto lontane, le nuove misurazioni rivelano le masse SMBH più indietro nel tempo, fino a quando l'universo aveva solo metà della sua età attuale.
Continuando a osservare gli 850 quasar con il telescopio SDSS per più anni, il team accumulerà anni di dati che consentiranno loro di misurare le masse di quasar anche più deboli, i cui ritardi più lunghi non possono essere misurati con un solo anno di dati.
"Ottenere osservazioni di quasar per più anni è fondamentale per ottenere buone misurazioni", ha affermato Yue Shen, assistente professore all'Università dell'Illinois e ricercatore principale del SDSS Reverberation Mapping Project. "Mentre continuiamo il nostro progetto per monitorare sempre più quasar per gli anni a venire, saremo in grado di capire meglio come crescono e si evolvono i buchi neri supermassicci".
Al termine dell'attuale quarta fase dell'SDSS nel 2020, inizierà la quinta fase, SDSS-V. SDSS-V presenta un nuovo programma chiamato Black Hole Mapper, in cui i ricercatori hanno in programma di misurare le masse SMBH in più di 1.000 quasar, osservando quasar più deboli e più vecchi di quanto qualsiasi progetto di mappatura di riverbero abbia mai gestito.
"Il Black Hole Mapper ci consentirà di passare all'era della mappatura supermassiccio del riverbero del buco nero su una scala industriale reale", ha affermato Niel Brandt, professore di astronomia e astrofisica a Penn State e membro di lunga data dell'SDSS. "Impareremo più su questi oggetti misteriosi che mai."
