Un gruppo di ricerca internazionale ha ottenuto la prima conferma con osservazioni ad alta risoluzione di un fenomeno finora solo ipotizzato nelle previsioni teoriche: le onde gravitazionali nate dalla fusione di due buchi neri hanno prodotto un “effetto rinculo” che ha spinto il nuovo buco nero supermassiccio fuori dal centro della sua galassia.
A 8 miliardi di anni luce da noi c’è un buco nero supermassiccio che si sta allontanando dal centro della sua galassia. Un comportamento del tutto insolito che ha comprensibilmente attirato l’attenzione degli studiosi, e che ha trovato ora una spiegazione accurata grazie al lavoro di un gruppo internazionale di ricerca guidato da Gianluca Castignani (Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi”, Università di Bologna e INAF - Istituto Nazionale di Astrofisica) e Takahiro Morishita (California Institute of Technology e Space Telescope Science Institute).
In due articoli pubblicati su Astronomy & Astrophysics Letters e su The Astrophysical Journal, gli studiosi riportano forti evidenze che da un lato che il buco nero supermassiccio è nato dalla fusione di due galassie e dei loro rispettivi buchi neri, e dall’altro che le onde gravitazionali generate da questo evento hanno “calciato” il nuovo buco nero spingendolo, con una sorta di “effetto rinculo”, fuori dal
centro della galassia. Questo buco nero supermassiccio, “calciato” fuori dal centro della galassia, si trova all’interno di una potente sorgente radio extra-galattica, il quasar 3C 186.
“È la prima conferma con osservazioni ad alta risoluzione di questo tipo di effetto generato dalle onde gravitazionali”, spiega Castignani. “I risultati che abbiamo ottenuto sono straordinariamente in linea con le previsioni teoriche e offrono nuovi importanti elementi per la nostra comprensione dell’evoluzione dei buchi neri supermassicci e della formazione delle strutture a grande scala nell’universo, oltre ad aprire nuove prospettive per l’utilizzo delle prossime generazioni di radiotelescopi”.
Gli eventi di fusione delle galassie sono uno dei meccanismi fondamentali che regolano la crescita delle galassie e l'evoluzione dei buchi neri supermassicci. Quando avvengono, i buchi neri al centro delle galassie si fondono, creando uno dei fenomeni più energetici possibili nell'universo: una quantità enorme di energia viene rilasciata sotto forma di onde gravitazionali, le quali sono capaci di generare delle increspature nel "tessuto" dello spaziotempo. Le previsioni teoriche mostrano che in alcuni casi particolari, a seconda dell'orientamento reciproco degli assi di rotazione dei buchi neri e del rapporto delle loro masse, la fusione di due buchi neri può produrre onde gravitazionali non isotropiche, generando un effetto di rinculo.
Grazie a questo effetto il nuovo buco nero formatosi dalla fusione dei due buchi neri di partenza può essere “calciato” fuori dal centro della galassia stessa. Fino ad oggi però non esistevano osservazioni dettagliate che potessero confermare o confutare queste previsioni. "Effettuare osservazioni ad alta risoluzione sia in ottico che in radio era fondamentale per capire se effettivamente il buco nero super massiccio di 3C186 fosse stato calciato fuori dalla galassia stessa: i nuovi studi confermano questo scenario, permettendoci di capire meglio come evolvono i buchi neri supermassicci e le loro galassie ospiti", dice Castignani. "È infatti ancora dibattuta la possibilità che due buchi neri supermassicci possano avvicinarsi ad una distanza tale da produrre onde gravitazionali tanto intense: l'alternativa è che raggiungano invece un'orbita stabile senza mai fondersi".
Il buco nero supermassiccio del quasar 3C 186 era un ottimo candidato per tentare di rispondere a questi interrogativi, dato che la sua posizione appare spostata rispetto al centro della galassia in cui si trova: un fenomeno che potrebbe essere spiegato dalla spinta delle onde gravitazionali. Per indagarlo, gli studiosi hanno utilizzato nuove osservazioni, sia ottiche
che nelle onde radio, con livelli di risoluzione e sensibilità senza precedenti. Grazie alle immagini ottenute dal telescopio Hubble, è stato infatti possibile non solo confermare con grande accuratezza la posizione spostata del buco nero rispetto al centro della sua galassia, ma anche stabilire che la galassia ospite di 3C 186 è il prodotto di una fusione di galassie avvenuta in passato, circa un miliardo di anni prima. I risultati sono presentati nel primo dei due paper prodotti, pubblicato su The Astrophysical Journal.
Nel secondo studio, invece, pubblicato su Astronomy & Astrophysics Letters, i ricercatori hanno analizzato 3C 186 con le osservazioni del radiotelescopio Northern Extended Millimeter Array (NOEMA), che
si trova sul Plateau de Bure, nelle Alpi francesi. I risultati ottenuti hanno permesso di confermare per la prima volta tramite osservazioni radio ad alta risoluzione che la posizione spostata del buco nero è con alta probabilità dovuta alla spinta delle onde gravitazionali generate dall’evento di fusione di due buchi neri. "Queste osservazioni interferometriche erano fondamentali per testare lo scenario dell'effetto rinculo generato dalle onde gravitazionali", conferma Castignani. "Ci hanno infatti permesso di sondare sia la riserva di gas molecolare all'interno della galassia ospite, ovvero il carburante che permette la formazione delle stelle, sia l’emissione radio del quasar 3C186, la quale è alimentata dal materiale in prossimità del buco nero supermassiccio".
Grazie alle nuove osservazioni del radiotelescopio NOEMA gli studiosi hanno scoperto non solo che il gas molecolare della galassia è spostato, in proiezione, di ben 38.000 anni luce rispetto alla posizione del quasar 3C186 che ospita il buco nero super massiccio, ma anche che i due si muovono ad con una velocità relativa di 2.000 chilometri al secondo lungo la linea di vista. Conclusioni, queste, che supportano fortemente lo scenario secondo cui il buco nero supermassiccio di 3C 186 è stato espulso dal nucleo della galassia in seguito alla produzione di onde gravitazionali generate dalla fusione avvenuta tra due buchi neri. I due lavori che presentano i risultati dello studio sono: - "The Host Galaxy of the Recoiling Black Hole Candidate in 3C 186: An Old Major Merger Remnant at the Center of a z=1 Cluster", 2022, The Astrophysical Journal, di T. Morishita, M. Chiaberge, B. Hilbert, E. Lambrides, L. Blecha, S. Baum, S. Bianchi, A. Capetti, G. Castignani, F. D. Macchetto, G. K. Miley, C. P. O'Dea, C. A. Norman - "NOEMA observations support a recoiling black hole in 3C186", 2022, Astronomy & Astrophysics Letters, 661, 2, di G. Castignani, E. Meyer, M. Chiaberge, F. Combes, T. Morishita, R. Decarli, A. Capetti, M. Dotti, G. R. Tremblay, C. A. Norman.
