Per decenni, gli astronomi hanno saputo che Supermassive Black Holes (SMBH) risiedono al centro della maggior parte delle galassie di massa. Questi buchi neri, che vanno da centinaia di migliaia a miliardi di masse solari, esercitano una forte influenza sulla materia circostante e si ritiene che siano la causa dei nuclei galattici attivi (AGN). Finché gli astronomi ne sono venuti a conoscenza, hanno cercato di capire come si formano e si evolvono gli SMBH.
In due studi recentemente pubblicati, due team internazionali di ricercatori riferiscono della scoperta di cinque coppie di buchi neri scoperte di recente nei centri di galassie distanti. Questa scoperta potrebbe aiutare gli astronomi a gettare nuova luce su come si formano e crescono gli SMBH nel tempo, per non parlare di come le fusioni del buco nero producono le onde gravitazionali più forti nell'Universo.
I primi quattro candidati a doppio buco nero sono stati riportati in uno studio intitolato "Buried AGNs in Advanced Mergers: Mid-Infrared Color Selection as a Dual AGN Finder", guidato da Shobita Satyapal, professore di astrofisica alla George Mason University. Questo studio è stato accettato per la pubblicazione in Il diario astrofisico e recentemente è apparso online.
Il secondo studio, che riportava il quinto candidato al doppio buco nero, era guidato da Sarah Ellison, professore di astrofisica all'Università di Victoria. È stato recentemente pubblicato nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society con il titolo "Scoperta di un doppio nucleo galattico attivo con separazione di ~ 8 kpc". La scoperta di queste cinque coppie di buchi neri è stata molto casuale, dato che le coppie sono una scoperta molto rara.
Come Shobita Satyapal ha spiegato in una nota stampa di Chandra:
“Gli astronomi trovano singoli buchi neri supermassicci in tutto l'universo. Ma anche se abbiamo previsto che cresceranno rapidamente quando interagiscono, è stato difficile trovare crescenti doppi buchi neri supermassicci.“
Le coppie di buchi neri sono state scoperte combinando i dati di diversi strumenti terrestri e spaziali. Ciò includeva i dati ottici dello Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e del Large Binocular Telescope (LBT) terrestre in Arizona con i dati del vicino infrarosso del Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) e i dati dei raggi X dal Chandra della NASA Osservatorio radiografico.
Per motivi di studio, Satyapal, Ellison e i loro rispettivi team hanno cercato di rilevare due AGN, che si ritiene siano una conseguenza delle fusioni galattiche. Hanno iniziato consultando i dati ottici dell'SDSS per identificare le galassie che sembravano essere in procinto di fondersi. I dati del sondaggio WISE all-sky sono stati quindi utilizzati per identificare quelle galassie che mostravano gli AGN più potenti.
Hanno quindi consultato i dati dello spettrometro di imaging CCD avanzato di Chandra (ACIS) e dell'LBT per identificare sette galassie che sembravano essere in una fase avanzata di fusione. Lo studio condotto da Ellison si basava anche sui dati ottici forniti dall'indagine Mapping Nearby Galaxies presso Apache Point Observatory (MaNGA) per individuare una delle nuove coppie di buchi neri.
Dai dati combinati, hanno scoperto che cinque delle sette galassie in fusione ospitavano possibili doppi AGN, che erano separati da meno di 10 kiloparsec (oltre 30.000 anni luce). Ciò è stato evidenziato dai dati a infrarossi forniti da WISE, che erano coerenti con ciò che è predetto da buchi neri supermassicci in rapida crescita.
Inoltre, i dati di Chandra hanno mostrato coppie separate di sorgenti di raggi X, il che è anche coerente con i buchi neri che hanno lentamente accumulato materia su di essi. Questi dati a raggi infrarossi e raggi X suggeriscono anche che i buchi neri supermassicci sono sepolti in grandi quantità di polvere e gas. Come indicato da Ellison, questi risultati sono stati il risultato di un lavoro scrupoloso che consisteva nell'ordinamento attraverso diverse lunghezze d'onda dei dati:
“Il nostro lavoro mostra che combinare la selezione a infrarossi con il follow-up a raggi X è un modo molto efficace per trovare queste coppie di buchi neri. I raggi X e le radiazioni infrarosse sono in grado di penetrare nelle oscure nuvole di gas e polvere che circondano queste coppie di buchi neri, e la visione nitida di Chandra è necessaria per separarle ".
Prima di questo studio, meno di dieci coppie di buchi neri in crescita erano state confermate sulla base di studi radiografici, e questi erano per lo più casuali. Quest'ultimo lavoro, che ha rilevato cinque coppie di buchi neri utilizzando i dati combinati, è stato quindi sia fortunato che significativo. Oltre a sostenere l'ipotesi che i buchi neri supermassicci si formino dalla fusione dei buchi neri più piccoli, questi studi hanno anche serie implicazioni per la ricerca sulle onde gravitazionali.
"È importante capire quanto siano comuni le coppie supermassicci di buco nero, per aiutare a prevedere i segnali per gli osservatori di onde gravitazionali", ha detto Satyapa. “Con gli esperimenti già in atto e quelli futuri in linea, questo è un momento entusiasmante per ricercare la fusione dei buchi neri. Siamo nelle prime fasi di una nuova era nell'esplorazione dell'universo ".
Dal 2016 sono stati rilevati in totale quattro casi di onde gravitazionali da strumenti come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) e l'Osservatorio VIRGO. Tuttavia, questi rilevamenti sono stati il risultato di fusioni di buchi neri in cui i buchi neri erano tutti più piccoli e meno massicci - tra otto e 36 masse solari.
I buchi neri supermassicci, d'altra parte, sono molto più massicci e probabilmente produrranno una firma dell'onda gravitazionale molto più grande mentre continuano ad avvicinarsi. E tra qualche centinaio di milioni di anni, quando alla fine queste coppie si fonderanno, l'energia risultante prodotta dalla massa convertita in onde gravitazionali sarà incredibile.
Al momento, rilevatori come LIGO e Virgo non sono in grado di rilevare le onde gravitazionali create dalle coppie Supermassive Black Hole. Questo lavoro viene svolto da array come l'Osservatorio nordamericano di Nanohertz per le onde gravitazionali (NANOGrav), che si basa su pulsar millisecondi ad alta precisione per misurare l'influenza delle onde gravitazionali sullo spazio-tempo.
Si prevede inoltre che la proposta Antenna spaziale laser (LISA), che sarà il primo rilevatore di onde gravitazionali spaziali dedicato, sarà di aiuto nella ricerca. Nel frattempo, la ricerca sulle onde gravitazionali ha già beneficiato immensamente di sforzi collaborativi come quello esistente tra Advanced LIGO e Advanced Virgo.
In futuro, gli scienziati prevedono anche che saranno in grado di studiare gli interni delle supernovae attraverso la ricerca sulle onde gravitazionali. Questo probabilmente rivelerà molto sui meccanismi alla base della formazione del buco nero. Tra tutti questi sforzi in corso e gli sviluppi futuri, possiamo aspettarci di "ascoltare" molto di più l'Universo e le forze più potenti al suo interno.
Assicurati di dare un'occhiata a questa animazione che mostra come apparirà l'eventuale fusione di due di queste coppie di buchi neri, per gentile concessione dell'Osservatorio a raggi X di Chandra:
