In uno studio pubblicato oggi sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, un gruppo di ricercatori guidati dallo Space Telescope Science Institute (STScI) ha sfruttato i dati raccolti dal satellite dell’ESA Gaia, nello specifico quelli della Data Release 3, e altri ottenuti dal telescopio spaziale Hubble (NASA ed ESA) per studiare qualcosa di insolito all’interno dell’antichissimo ammasso stellare Messier 4 (M4), il più vicino alla Terra. Cosa hanno notato? Un’enorme massa oscura al centro dell’ammasso, 800 volte più massiccio del nostro Sole, che potrebbe essere un buco nero di massa intermedia.
Gli astronomi hanno identificato altri possibili buchi neri di massa intermedia utilizzando una varietà di tecniche di osservazione. Due dei migliori candidati – 3XMM J215022.4-055108, che Hubble ha aiutato a scoprire nel 2020, e HLX-1, identificato nel 2009 – risiedono alla periferia di altre galassie. Ciascuno di questi possibili buchi neri ha la massa di decine di migliaia di soli e potrebbe essere stato un tempo al centro delle galassie nane.
Guardando molto più vicino a casa, ci sono stati numerosi presunti buchi neri di massa intermedia rilevati in densi ammassi stellari globulari in orbita attorno alla nostra galassia, la Via Lattea. Ad esempio, nel 2008, gli astronomi di Hubble hanno annunciato la sospetta presenza di un buco nero di massa intermedia nell’ammasso globulare Omega Centauri. Per una serie di ragioni, inclusa la necessità di più dati, queste e altre scoperte di buchi neri di massa intermedia rimangono ancora inconcludenti e non escludono teorie alternative.
Le capacità uniche di Hubble sono state ora utilizzate per concentrarsi sul nucleo dell’ammasso stellare globulare Messier 4 (M4) per andare a caccia di buchi neri con maggiore precisione rispetto alle ricerche precedenti. “Non puoi fare questo tipo di scienza senza Hubble“, ha detto Eduardo Vitral dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, nel Maryland, ed ex capo dell’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP, Sorbonne University) di Parigi, Francia, autore dello studio.
Il team di Vitral ha rilevato un possibile buco nero di massa intermedia di circa 800 masse solari. L’oggetto sospetto non può essere visto, ma la sua massa viene calcolata studiando il moto delle stelle intrappolate nel suo campo gravitazionale, come le api che sciamano attorno a un alveare. Misurare il loro movimento richiede tempo e molta precisione. È qui che Hubble realizza ciò che nessun altro telescopio attuale può fare. Gli astronomi hanno esaminato 12 anni di osservazioni di M4 da Hubble e hanno risolto le stelle puntiformi.
Anche il veicolo spaziale Gaia dell’ESA ha contribuito a questo risultato con scansioni di oltre 6000 stelle che hanno vincolato la forma globale dell’ammasso e la sua massa. I dati di Hubble tendono a escludere teorie alternative per questo oggetto, come un ammasso centrale compatto di resti stellari irrisolti come stelle di neutroni o buchi neri più piccoli che ruotano l’uno intorno all’altro.
“Utilizzando gli ultimi dati di Gaia e Hubble, era impossibile distinguere tra una popolazione di resti stellari e una singola sorgente puntiforme più grande. Quindi una delle possibili teorie è che invece di essere tanti piccoli oggetti separati, questa massa scura potrebbe essere un buco nero di medie dimensioni”, ha aggiunto Vitral. “Siamo sicuri di avere una regione molto piccola con molta massa concentrata. È circa tre volte più piccola della massa oscura più densa che avevamo trovato prima in altri ammassi globulari. La regione è più compatta di quanto possiamo riprodurre con simulazioni numeriche quando prendiamo in considerazione un insieme di buchi neri, stelle di neutroni e nane bianche segregate al centro dell’ammasso. Non sono in grado di formare una concentrazione di massa così compatta”, ha continuato.
Un raggruppamento di oggetti compatti sarebbe dinamicamente instabile. Se l’oggetto non è un singolo buco nero di massa intermedia, sarebbero necessari circa 40 buchi neri più piccoli stipati in uno spazio di appena un decimo di anno luce per produrre i moti stellari osservati. Le conseguenze sono che si fonderebbero e/o verrebbero espulsi in una partita di flipper interstellare. “Misuriamo i movimenti delle stelle e le loro posizioni e applichiamo modelli fisici che cercano di riprodurre questi movimenti. Finiamo con una misurazione di un’estensione di massa oscura nel centro dell’ammasso”, ha detto Vitral. “Più ci si avvicina alla massa centrale, più le stelle si muovono in modo casuale. E, maggiore è la massa centrale, più veloci sono queste velocità stellari”.
Poiché i buchi neri di massa intermedia negli ammassi globulari sono stati così sfuggenti, Vitral avverte: “sebbene non possiamo affermare completamente che sia un punto di gravità centrale, possiamo dimostrare che è molto piccolo. È troppo piccolo per essere spiegato in un modo diverso da un singolo buco nero. In alternativa, potrebbe esserci un meccanismo stellare di cui semplicemente non siamo a conoscenza, almeno nell’ambito della fisica attuale”.
Timo Prusti, project scientist della missione Gaia, sottolinea: “i dati Gaia della Data Release 3 sul moto proprio delle stelle nella Via Lattea sono stati essenziali in questo studio. I dati che verranno pubblicati in futuro e gli studi di follow-up dei telescopi spaziali Hubble e James Webb potrebbero fare ulteriore luce su questo mistero”.
Luigi Bedin, ricercatore presso l’INAF di Padova e co-autore dell’articolo, aggiunge che “nel prossimo futuro, avremo modo di caratterizzare meglio questo eccesso di massa grazie a una analisi di 120 orbite di dati Hubble (GO-12911, PI: Bedin) e soprattutto grazie a nuove osservazioni del James Webb di M4 appena raccolte (lo scorso 9 aprile 2023, sotto il programma GO-1979, con PI: Bedin), dati specificamente disegnati per questo tipo di survey, ma non utilizzati in questo lavoro”.
Alla ricerca hanno partecipato anche Mattia Libralato e Andrea Bellini, due astronomi italiani ricercatori allo STScI.
