L'anno scorso, gli astronomi hanno scoperto un buco nero quiescente in una galassia lontana che è scoppiata dopo aver distrutto e consumato una stella di passaggio. Ora i ricercatori hanno identificato un segnale a raggi X distintivo osservato nei giorni successivi allo scoppio che proviene dalla materia sul punto di cadere nel buco nero.
Questo segnale rivelatore, chiamato oscillazione quasi periodica o QPO, è una caratteristica dei dischi di accrescimento che spesso circondano gli oggetti più compatti nell'universo: stelle bianche nane, stelle di neutroni e buchi neri. I QPO sono stati osservati in molti buchi neri di massa stellare e ci sono prove allettanti per loro in alcuni buchi neri che possono avere masse di peso medio tra 100 e 100.000 volte il sole.
Fino alla nuova scoperta, i QPO erano stati rilevati attorno a un solo buco nero supermassiccio, il tipo contenente milioni di masse solari e situato al centro delle galassie. Quell'oggetto è la galassia di tipo Seyfert REJ 1034 + 396, che a una distanza di 576 milioni di anni luce si trova relativamente nelle vicinanze.
“Questa scoperta estende la nostra portata fino al limite più interno di un buco nero situato a miliardi di anni luce di distanza, il che è davvero sorprendente. Questo ci dà l'opportunità di esplorare la natura dei buchi neri e testare la relatività di Einstein in un momento in cui l'universo era molto diverso da come lo è oggi ", ha dichiarato Rubens Reis, un borsista post-dottorato di Einstein all'Università del Michigan ad Ann Arbor. Reis ha guidato il team che ha scoperto il segnale QPO usando i dati dei telescopi a raggi X Suzaku e XMM-Newton in orbita, una scoperta descritta in un articolo pubblicato oggi su Science Express.
La fonte di raggi X conosciuta come Swift J1644 + 57 - dopo le sue coordinate astronomiche nella costellazione di Draco - è stata scoperta il 28 marzo 2011 dal satellite Swift della NASA. Inizialmente si pensava che fosse un tipo più comune di esplosione chiamato scoppio di raggi gamma, ma la sua graduale dissolvenza non corrispondeva a nulla di ciò che si fosse visto prima. Gli astronomi presto si sono convertiti all'idea che ciò che stavano vedendo era la conseguenza di un evento davvero straordinario: il risveglio del buco nero dormiente di una galassia lontana mentre si frantumava e divorava una stella di passaggio. La galassia è così lontana che la luce dell'evento ha dovuto viaggiare 3,9 miliardi di anni prima di raggiungere la Terra.
Informazioni sul video: il 28 marzo 2011, la Swift della NASA ha rilevato intensi bagliori radiografici che si pensa siano causati da un buco nero che divora una stella. In un modello, qui illustrato, una stella simile al sole su un'orbita eccentrica si tuffa troppo vicino al buco nero centrale della sua galassia. Circa metà della massa della stella alimenta un disco di accrescimento attorno al buco nero, che a sua volta alimenta un getto di particelle che irradia radiazioni verso la Terra. Credito: Goddard Space Flight Center / Conceptual Image Lab della NASA
La stella conobbe intense maree quando raggiunse il punto più vicino al buco nero e fu rapidamente lacerata. Parte del suo gas cadde verso il buco nero e formò un disco attorno ad esso. La parte più interna di questo disco è stata rapidamente riscaldata a temperature di milioni di gradi, abbastanza calda da emettere raggi X. Allo stesso tempo, attraverso processi ancora non del tutto compresi, getti diretti in senso opposto perpendicolari al disco formato vicino al buco nero. Questi getti hanno fatto esplodere la materia verso l'esterno a velocità superiori al 90 percento della velocità della luce lungo l'asse di rotazione del buco nero. Uno di questi getti ha appena puntato verso la Terra.
Nove giorni dopo lo scoppio, Reis, Strohmayer e i loro colleghi hanno osservato Swift J1644 + 57 usando Suzaku, un satellite a raggi X gestito dalla Japan Aerospace Exploration Agency con la partecipazione della NASA. Circa dieci giorni dopo, hanno quindi iniziato una campagna di monitoraggio più lunga utilizzando l'osservatorio XMM-Newton dell'Agenzia spaziale europea.
"Poiché la materia nel getto si muoveva così velocemente ed era quasi inclinata nella nostra visuale, gli effetti della relatività aumentavano il suo segnale a raggi X abbastanza da poter catturare il QPO, che altrimenti sarebbe difficile da rilevare a così grande distanza ", Ha dichiarato Tod Strohmayer, un astrofisico e coautore dello studio presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Md.
Mentre il gas caldo nel disco più interno si dirige verso un buco nero, raggiunge un punto che gli astronomi chiamano l'orbita circolare più interna più stabile (ISCO). Un po 'più vicino al buco nero e al gas si tuffa rapidamente nell'orizzonte degli eventi, il punto di non ritorno. Il gas a spirale verso l'interno tende ad accumularsi attorno all'ISCO, dove diventa tremendamente riscaldato e irradia un flusso di raggi X. La luminosità di questi raggi X varia in uno schema che si ripete a intervalli quasi regolari, creando il segnale QPO.
I dati mostrano che il QPO di Swift J1644 + 57 ciclava ogni 3,5 minuti, il che posiziona la sua regione di origine tra 2,2 e 5,8 milioni di miglia (da 4 a 9,3 milioni di km) dal centro del buco nero, la distanza esatta a seconda della velocità del buco nero sta ruotando. Per dirlo in prospettiva, la distanza massima è solo circa 6 volte il diametro del nostro sole. La distanza dalla regione QPO all'orizzonte degli eventi dipende anche dalla velocità di rotazione, ma per un buco nero che gira alla massima velocità consentita, l'orizzonte è proprio all'interno dell'ISCO.
"I QPO ci inviano informazioni dall'orlo del buco nero, che è dove gli effetti della relatività diventano più estremi", ha detto Reis. "La capacità di ottenere informazioni su questi processi su una distanza così vasta è un risultato davvero bello e ha una grande promessa."
Didascalia dell'immagine principale: questa illustrazione evidenzia le principali caratteristiche di Swift J1644 + 57 e sintetizza ciò che gli astronomi hanno scoperto al riguardo. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA
