Astrofisica: sulle tracce dei buchi neri meno attivi dell’universo

Un nuovo studio fa chiarezza sui diversi meccanismi che danno luogo a getti e venti di materia nei pressi dei buchi neri supermassicci

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Tutte le galassie massicce nell’Universo ospitano enormi buchi neri, con masse che vanno da milioni a miliardi di volte quella del Sole. Alcuni di questi buchi neri supermassicci si nutrono della materia che li circonda a ritmi frenetici, dando luogo a straordinari fenomeni di emissione su tutto lo spettro elettromagnetico, ma la maggior parte di essi – in particolare i più piccoli, come quello al centro della nostra Via Lattea – sono poco attivi, ingerendo il gas circostante a ritmi piuttosto contenuti. La scarsa attività di questi buchi neri produce una emissione molto debole, il che rende difficile osservare e identificare le galassie che li ospitano, ma grazie alle survey astronomiche di nuova generazione gli astronomi stanno iniziando a rivelare questa porzione in parte inesplorata del cosmo.

La galassia Vortice (chiamata anche NGC 5194 o M51) in un’immagine del telescopio spaziale Hubble. In alto a destra, le regioni centrali della galassia osservate in banda radio con la survey LeMMINGs.
Crediti: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI), and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA); immagine radio: R. D. Baldi et al. (2021)

Una di queste survey – realizzata con l’array di radiotelescopi e-MERLIN, formato da 7 antenne sparse in tutto il Regno Unito – si chiama LeMMINGs (Legacy e-MERLIN Multi-band Imaging of Near Galaxy Sample) ed è dedicata allo studio della popolazione di galassie poco luminose che ospitano buchi neri supermassicci poco attivi. Comprende 280 galassie ed è la survey più profonda di galassie nell’universo locale condotta in banda radio ad alta risoluzione.

Un nuovo studio, basato sul campione completo della survey e guidato da Ranieri Diego Baldi, ricercatore INAF a Bologna da un anno e leader del progetto LeMMINGs, ha stabilito una relazione più chiara tra i diversi meccanismi di emissione radio proveniente da queste galassie e la modalità di accrescimento di materia sul loro buco nero centrale, estendendo l’analisi anche a galassie ritenute non attive. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Le regioni centrali della galassia di tipo Seyfert NGC 4151 osservate in banda radio con la survey LeMMINGs.
Crediti: R. D. Baldi et al. (2021)

La nostra indagine ha rivelato nuclei radio al centro di circa metà delle galassie locali del nostro campione, molte delle quali erano state precedentemente classificate come inattive sulla base principalmente di dati ottici”, spiega Baldi. “Per la prima volta, grazie alla combinazione dei dati radio LeMMINGs con osservazioni d’archivio in banda ottica, siamo stati in grado separare in maniera più robusta i nuclei radio stellari dai nuclei galattici attivi (AGN) per fare chiarezza su tutti i possibili processi fisici di emissione radio in queste galassie”.

Oltre ai processi legati al ciclo di vita delle stelle, nelle galassie possono verificarsi una serie di fenomeni che danno luogo a emissione radio, dovuti all’accrescimento di materia sui buchi neri al loro centro. Ne sono esempi i getti di plasma che si estendono ben oltre i confini della galassia, con velocità variabili, più o meno prossime a quella della luce; i venti di materia, prodotti dal disco di accrescimento attraverso il quale la materia cade sul buco nero, che si scontrano con il mezzo interstellare della galassia e lo spazzano via; o ancora i fenomeni legati alla corona, una regione di plasma ad altissima temperatura, con forti campi magnetici, in prossimità del buco nero.

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Le regioni centrali della galassia Vortice (chiamata anche NGC 5194 o M51) osservate in banda radio con la survey LeMMINGs.
Crediti: R. D. Baldi et al. (2021)

Osservare le galassie a bassa luminosità è fondamentale perché, essendo le più abbondanti nell’Universo, forniscono un’istantanea della relazione tra il buco nero e la sua galassia ospite e le condizioni locali per un buco nero a basso accrescimento. Le mappe in banda radio ottenute dalla survey LeMMINGs hanno una risoluzione di 0.2 millisecondi d’arco, pari a circa un diecimilionesimo del diametro angolare della luna piena in cielo. Questo ha permesso di osservare getti radio fino a scale relativamente piccole – diverse centinaia di anni-luce – studiando direttamente l’accrescimento su buchi neri anche in ambienti polverosi e rilevando nuclei galattici attivi con tassi di accrescimento più bassi rispetto a quelli rilevabili in altre lunghezze d’onda.

In questo lavoro, grazie al campione completo di galassie e alla survey profonda, abbiamo un’idea più precisa del meccanismo di produzione dell’emissione radio in galassie locali classificate in vario modo sulla base dei dati ottici”, aggiunge Baldi. “Per esempio, abbiamo stabilito che le galassie alimentate da deboli dischi di accrescimento (chiamate LINERs) possono lanciare getti sub-relativistici o relativistici. I getti lenti a bassa potenza e i venti da disco o corona, provenienti da ambienti con accrescimento alto o medio-alto, rappresentano invece i getti osservati da galassie di tipo Seyfert, solitamente classificate come radio-quiet, ovvero silenziose in banda radio. Anche le galassie con formazione stellare intensa possono ospitare buchi neri poco attivi in grado di lanciare getti di plasma, così come anche le galassie massicce ellittiche che apparentemente sembrano avere buchi neri ‘spenti’ sono in grado occasionalmente di emanare flussi radio intensi”.

Questi risultati sono un’anteprima degli studi ancor più approfonditi che saranno possibili in futuro grazie all’Osservatorio SKA (SKAO), il più grande radiotelescopio al mondo, attualmente in costruzione in Sud Africa e Australia: l’array e-MERLIN è infatti un apripista, o pathfinder, per il progetto SKA.