Hubble determina la massa di un buco nero isolato che vaga nella Via Lattea

Il telescopio spaziale Hubble ha, per la prima volta in assoluto, fornito prove dirette di un buco nero isolato mediante una precisa misurazione della massa dell'oggetto fantasma

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Gli astronomi stimano 100 milioni di buchi neri tra le stelle della nostra Via Lattea, ma non hanno mai identificato in modo definitivo un buco nero isolato. Dopo sei anni di meticolose osservazioni, il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA ha, per la prima volta in assoluto, fornito prove dirette di un buco nero solitario che si sposta nello spazio interstellare mediante una precisa misurazione della massa dell’oggetto fantasma. Finora, tutte le masse dei buchi neri sono state dedotte statisticamente o attraverso interazioni nei sistemi binari o nei nuclei delle galassie.

I buchi neri di massa stellare si trovano solitamente con stelle compagne, il che rende questo insolito. Il buco nero appena rilevato si trova a circa 5.000 anni luce di distanza, nel braccio a spirale Carena-Sagittario della nostra galassia. La sua scoperta consente agli astronomi di stimare che il buco nero di massa stellare isolato più vicino alla Terra potrebbe trovarsi a 80 anni luce di distanza. La stella più vicina al nostro sistema solare, Proxima Centauri, dista poco più di 4 anni luce.

I buchi neri della nostra galassia sono nati da rare stelle mostruose (meno di un millesimo della popolazione stellare della galassia) che sono almeno 20 volte più massicce del nostro Sole. Queste stelle esplodono come supernove e il nucleo residuo viene schiacciato dalla gravità in un buco nero. Poiché l’autodetonazione non è perfettamente simmetrica, il buco nero potrebbe sfrecciare attraverso la nostra galassia come una palla di cannone esplosa.

I telescopi non possono fotografare un buco nero perché non emette luce. Tuttavia, un buco nero deforma lo spazio, che quindi devia e amplifica la luce stellare da qualsiasi cosa si allinei momentaneamente esattamente dietro di esso. I telescopi terrestri, che monitorano la luminosità di milioni di stelle nei ricchi campi stellari verso il rigonfiamento centrale della nostra Via Lattea, cercano una improvvisa illuminazione di una di esse quando un oggetto massiccio passa tra noi e la stella.

E questo è ciò che hanno fatto due team, utilizzando i dati di Hubble nelle loro indagini: uno guidato da Kailash Sahu dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, nel Maryland, e l’altro da Casey Lam dell’Università della California, Berkeley. I risultati dei due team differiscono leggermente, ma entrambi suggeriscono la presenza di un oggetto compatto.

La deformazione dello spazio dovuta alla gravità di un oggetto in primo piano che passa davanti a una stella situata molto dietro di esso piegherà e amplificherà momentaneamente la luce della stella sullo sfondo mentre passa davanti ad essa. Gli astronomi utilizzano il fenomeno, chiamato microlensing gravitazionale, per studiare stelle ed esopianeti nei circa 30.000 eventi visti finora all’interno della nostra galassia.

La firma di un buco nero in primo piano si distingue come unica tra gli altri eventi di microlensing. La gravità molto intensa del buco nero allungherà la durata dell’evento di lensing per oltre 200 giorni. Inoltre, se l’oggetto fosse una stella in primo piano, causerebbe un cambiamento di colore transitorio nella luce delle stelle misurata perché la luce delle stelle in primo piano e sullo sfondo verrebbe momentaneamente fusa insieme. Ma nessun cambiamento di colore è stato visto nell’evento del buco nero.

Successivamente, Hubble è stato utilizzato per misurare la quantità di deflessione dell’immagine della stella di sfondo da parte del buco nero. Hubble è dotato della straordinaria precisione necessaria per tali misurazioni. L’immagine della stella è stata spostata, da dove sarebbe normalmente, di circa un milliarco di secondo. Ciò equivale a misurare l’altezza di un essere umano adulto sdraiato sulla superficie della luna dalla Terra. Questa tecnica di microlensing astrometrico ha fornito informazioni sulla massa, la distanza e la velocità del buco nero. La quantità di deflessione dovuta all’intensa deformazione dello spazio del buco nero ha permesso al team di Sahu di stimare che pesa 7 masse solari.

Il team di Lam riporta un intervallo di massa leggermente inferiore, il che significa che l’oggetto potrebbe essere una stella di neutroni o un buco nero. Stimano che la massa dell’oggetto compatto invisibile sia compresa tra 1,6 e 4,4 volte quella del Sole. Nella fascia alta di questo intervallo, l’oggetto sarebbe un buco nero; nella fascia bassa, sarebbe una stella di neutroni. “Per quanto vorremmo dire che è definitivamente un buco nero, dobbiamo segnalare tutte le soluzioni consentite. Ciò include sia i buchi neri di massa inferiore che forse anche una stella di neutroni”, ha affermato Jessica Lu del team di Berkeley. “Qualunque cosa sia, l’oggetto è il primo residuo stellare oscuro scoperto a vagare per la galassia, senza essere accompagnato da un’altra stella“, ha aggiunto Lam.

Questa è stata una misurazione particolarmente difficile per il team perché c’è un’altra stella luminosa che è estremamente vicina nella separazione angolare alla stella sorgente. “Quindi è come cercare di misurare il minuscolo movimento di una lucciola accanto a una lampadina luminosa. Abbiamo dovuto sottrarre meticolosamente la luce della stella luminosa vicina per misurare con precisione la deflessione della debole sorgente“, ha detto Sahu.

Il team di Sahu stima che il buco nero isolato stia viaggiando attraverso la galassia a 160.000 chilometri orari (abbastanza veloce da viaggiare dalla Terra alla Luna in meno di tre ore). È più veloce della maggior parte delle altre stelle vicine in quella regione della nostra galassia.

“Il microlensing astrometrico è concettualmente semplice ma osservativamente molto difficile. Il microlensing è l’unica tecnica disponibile per identificare i buchi neri isolati“, ha affermato Sahu. Quando il buco nero è passato davanti a una stella di fondo situata a 19.000 anni luce di distanza nel rigonfiamento galattico, la luce stellare che veniva verso la Terra è stata amplificata per una durata di 270 giorni mentre il buco nero passava. Tuttavia, ci sono voluti diversi anni di osservazioni di Hubble per seguire come la posizione della stella sullo sfondo sembrava essere deviata dalla curvatura della luce del buco nero in primo piano.

L’esistenza di buchi neri di massa stellare è nota dall’inizio degli anni ’70, ma tutte le loro misurazioni di massa, fino ad ora, sono state effettuate in sistemi stellari binari. Il gas della stella compagna cade nel buco nero e viene riscaldato a temperature così elevate da emettere raggi X. Le masse di circa due dozzine di buchi neri sono state misurate in binari a raggi X attraverso il loro effetto gravitazionale sui loro compagni. Le stime di massa vanno da 5 a 20 masse solari. I buchi neri rilevati in altre galassie dalle onde gravitazionali derivanti dalla fusione tra buchi neri e oggetti compagni sono stati fino a 90 masse solari.

I rilevamenti di buchi neri isolati forniranno nuove informazioni sulla popolazione di questi oggetti nella Via Lattea“, ha affermato Sahu, che si aspetta che il suo programma scoprirà più buchi neri in libertà all’interno della nostra galassia. Ma è la ricerca di un ago nel pagliaio: la previsione è che solo uno su poche centinaia di eventi di microlensing sia causato da buchi neri isolati.

Microlensing buco nero
Credit: NASA, ESA, K. Sahu (STScI), J. DePasquale (STScI)