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L’orbita di una stella simile al sole rivela il buco nero più vicino mai trovato

Nel 1916, Karl Schwarzchild teorizzò l’esistenza dei buchi neri come soluzione alle equazioni di campo di Einstein per la sua teoria della relatività generale.

A metà del 20° secolo, gli astronomi iniziarono a rilevare i buchi neri usando metodi indiretti, che consistevano nell’osservare i loro effetti sugli oggetti e sullo spazio circostanti.

Dagli anni ’80, gli scienziati hanno studiato i buchi neri supermassicci (SMBH), che risiedono al centro delle galassie più massicce dell’universo. E nell’aprile 2019, la collaborazione Event Horizon Telescope (EHT) ha rilasciato la prima immagine mai scattata di un SMBH.

Queste osservazioni sono un’opportunità per testare le leggi della fisica nelle condizioni più estreme e fornire informazioni sulle forze che hanno plasmato l’universo.

Secondo uno studio recente, un team internazionale di ricercatori ha utilizzato i dati dell’Osservatorio Gaia dell’ESA per osservare una stella simile al Sole con strane proprietà orbitali. Sulla base della natura della sua orbita, il team ha concluso che deve far parte di un sistema binario di buchi neri.

Questo lo rende il buco nero più vicino al nostro sistema solare e implica l’esistenza di una considerevole popolazione di buchi neri dormienti nella nostra galassia.

La ricerca è stata condotta da Kareem El-Badry, astrofisico della Harvard Society Fellow presso l’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) e il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA).

È stato raggiunto da ricercatori di CfA, MPIA, Caltech, UC Berkeley, Center for Computational Astrophysics (CCA), Weizmann Institute of Science, Observatoire de Paris, Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT e diverse università.

Il documento che descrive i loro risultati sarà pubblicato nel Bollettini mensili della Royal Astronomical Society.

Come ha spiegato El-Badry a Universe Today via e-mail, queste osservazioni facevano parte di una più ampia campagna per identificare i buchi neri dormienti che sono compagni di stelle normali nella Via Lattea.

“Ho cercato buchi neri dormienti negli ultimi quattro anni utilizzando un’ampia gamma di set di dati e metodi”, ha affermato.

“I miei precedenti tentativi hanno rivelato un variegato serraglio di binari mascherati da buchi neri, ma questa è stata la prima volta che la ricerca ha dato i suoi frutti”.

Per questo studio, El-Badry ei suoi colleghi si sono basati sui dati dell’Osservatorio Gaia dell’Agenzia spaziale europea (ESA). Questa missione ha impiegato quasi un decennio a misurare le posizioni, le distanze e i movimenti propri di quasi 1 miliardo di oggetti astronomici, tra cui stelle, pianeti, comete, asteroidi e galassie.

Tracciando il movimento degli oggetti mentre orbitano attorno al centro della Via Lattea (una tecnica nota come astrometria), la missione Gaia mira a creare il catalogo spaziale 3D più accurato mai creato.

Per i loro scopi, El-Badry e i suoi colleghi hanno studiato tutte le 168.065 stelle in Gaia Data Release 3 (GDR3) che sembravano avere orbite a due corpi.

La loro analisi ha trovato un candidato particolarmente promettente, un tipo G (stella gialla) designato Gaia DR3 4373465352415301632 – per i loro scopi il team lo ha chiamato Gaia BH1. Sulla base della risoluzione orbitale osservata, El-Badry e i suoi colleghi hanno stabilito che questa stella deve avere un compagno di buco nero.

El-Badry ha detto: “I dati di Gaia vincolano il modo in cui la stella si muove attraverso il cielo tracciando un’ellisse mentre orbita attorno al buco nero. La dimensione dell’orbita e il suo periodo ci danno un vincolo sulla massa del suo compagno invisibile – circa 10 masse solari.

“Per confermare che la soluzione di Gaia è corretta e per escludere alternative diverse dai buchi neri, abbiamo osservato la stella spettroscopicamente con diversi altri telescopi. Questo ha rafforzato i nostri vincoli sulla massa del compagno, dimostrando che è davvero ‘oscuro'”.

Per confermare le loro osservazioni, il team ha analizzato le misurazioni della velocità radiale di Gaia BH1 da più telescopi.

Questi includevano lo spettrometro Echelle ad alta risoluzione (HIRES) dell’Osservatorio WM Keck, lo spettrografo FROS (Fibre-fed Extended Range Optical Spectrograph) del telescopio MPG/ESO, lo spettrografo X-shooter del Very Large Telescope (VLT) e il Gemini Multi-Object Spettrografi (GMOS), spettrografo Magellan Echellette (MagE) e telescopio spettroscopico in fibra multioggetto Large Sky Area (LAMOST).

Simile alla caccia agli esopianeti (spettroscopia Doppler), gli spettri forniti da questi strumenti hanno permesso al team di osservare e misurare le forze gravitazionali che influenzano la sua orbita. Queste osservazioni di follow-up hanno confermato il distacco orbitale di Gaia BH1 e che un compagno di circa 10 masse solari stava orbitando con esso.

Come suggerito da El-Badry, questi risultati potrebbero rappresentare il primo buco nero nella Via Lattea che non è stato osservato a causa delle sue emissioni di raggi X o di altri rilasci di energia:

“I modelli prevedono che la Via Lattea contenga circa 100 milioni di buchi neri. Ma ne abbiamo osservati solo circa 20. Tutti i precedenti che abbiamo osservato sono in “binari a raggi X”: il buco nero sta mangiando una stella compagna e brilla brillantemente nei raggi X mentre l’energia potenziale gravitazionale di quel materiale viene convertita in luce.

“Ma questi rappresentano solo la punta dell’iceberg: una popolazione molto più numerosa potrebbe essere in agguato, nascosta in binari più lontani. La scoperta di Gaia BH1 getta luce precoce su questa popolazione”.

Se confermati, questi risultati potrebbero significare che esiste una robusta popolazione di buchi neri dormienti nella Via Lattea. Questo si riferisce a buchi neri che non sono identificabili da dischi luminosi, bagliori o getti ad alta velocità che emanano dai loro poli (come spesso accade con i quasar).

Se questi oggetti sono onnipresenti nella nostra galassia, le implicazioni per l’evoluzione stellare e galattica potrebbero essere profonde. Tuttavia, è possibile che questo particolare buco nero dormiente sia un valore anomalo e non indicativo di una popolazione più ampia.

Per verificare i loro risultati, El-Badry e i suoi colleghi attendono con impazienza il Gaia Data Release 4 (GDR 4), ancora da decidere, che includerà tutti i dati raccolti durante la missione nominale di cinque anni (GDR 4).

Questa versione conterrà i cataloghi astrometrici, fotometrici e di velocità radiale più aggiornati per tutte le stelle, le binarie, le galassie e gli esopianeti osservati.

La quinta e ultima versione (GDR 5) conterrà i dati della missione nominale ed estesa (tutti i 10 anni).

“Sulla base del tasso di occorrenza del compagno BH implicito da Gaia BH1, abbiamo stimato che il prossimo rilascio di dati Gaia consentirà la scoperta di dozzine di sistemi simili”, ha affermato El-Badry.

“Con un solo oggetto, è difficile sapere esattamente cosa dice della popolazione (potrebbe essere solo una stranezza o una coincidenza). Attendiamo con impazienza gli studi demografici sulla popolazione che possiamo condurre con campioni più grandi”.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato da Universe Today. Leggi l’articolo originale.

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