XMM-Newton, telescopio spaziale dell’Agenzia Spaziale Europea, ha rilevato oscillazioni rapide di raggi X provenienti dall’orlo di un buco nero supermassiccio al centro di una galassia vicina. I risultati dipingono un quadro affascinante che sfida le nostre precedenti ipotesi su come la materia cade in tali buchi neri e suggeriscono una potenziale fonte di onde gravitazionali che la futura missione ESA, LISA, potrebbe rilevare.
XMM-Newton ci sta mostrando che i buchi neri divorano la materia in modi più complessi di quanto inizialmente pensato dagli astronomi. I buchi neri sono una previsione della teoria della relatività generale di Albert Einstein: sono mostri gravitazionali che imprigionano ogni pezzo di materia o energia che attraversa la loro “superficie”, una regione dello spaziotempo nota come orizzonte degli eventi.
Durante la sua discesa finale verso il buco nero, un processo noto come accrescimento, la materia destinata a perire forma un disco attorno al buco nero. Il gas nel disco di accrescimento si riscalda e emette principalmente luce ultravioletta (UV). I raggi UV interagiscono con una nube di gas carico elettricamente, o plasma, che circonda il buco nero e il disco di accrescimento. Questa nube è conosciuta come corona e le interazioni trasferiscono energia ai raggi UV, trasformandoli in raggi X, che XMM-Newton è in grado di catturare.
XMM-Newton osserva il buco nero supermassiccio 1ES 1927+654 dal 2011: all’epoca, tutto sembrava normale. Nel 2018 le cose sono cambiate. 1ES 1927+654 ha subito una grande eruzione che ha apparentemente disturbato l’ambiente circostante, poiché la corona a raggi X è scomparsa. Gradualmente, la corona è tornata e, all’inizio del 2021, sembrava che la normalità fosse stata ripristinata.
Comportamento misterioso
Tuttavia, nel luglio 2022, XMM-Newton ha iniziato a osservare che l’output di raggi X variava a livelli di circa il 10% su intervalli di tempo tra 400 e 1000 secondi. Le oscillazioni quasi periodiche (QPO), come viene chiamato questo tipo di variabilità, sono notoriamente difficili da rilevare nei buchi neri supermassicci.
“Questo è stato il primo indizio che qualcosa di strano stava accadendo“, ha affermato Megan Masterson, studentessa di dottorato al Massachusetts Institute of Technology, USA, che ha guidato lo studio di XMM-Newton.
Le oscillazioni potrebbero suggerire che un oggetto massiccio, come una stella, sia inglobato nel disco di accrescimento e stia orbitando rapidamente attorno al buco nero, diretto a essere inghiottito. Man mano che l’oggetto si avvicina al buco nero, il tempo che impiega per compiere l’orbita diminuisce, causando un aumento della frequenza delle oscillazioni.
I calcoli hanno mostrato che questo oggetto orbitante è probabilmente un cadavere stellare conosciuto come nana bianca, con circa lo 0,1 della massa del Sole, che viaggia a una velocità incredibile. Completa un’orbita attorno al mostro centrale, percorrendo circa 100 milioni di km, ogni diciotto minuti circa.
Poi le cose sono diventate ancora più strane. Nel corso di quasi due anni, XMM-Newton ha mostrato che le oscillazioni stavano aumentando in intensità e frequenza, ma non nel modo in cui i ricercatori si aspettavano.
Il team ha ipotizzato che l’energia orbitale dell’oggetto venisse emessa come onde gravitazionali, come previsto dalla relatività generale. Per verificare l’idea, Masterson ha calcolato quando questo oggetto avrebbe attraversato l’orizzonte degli eventi, scomparendo dalla vista, e le oscillazioni si sarebbero fermate. La data è risultata essere il 4 gennaio 2024.
“Non sono mai riuscita a fare una previsione così precisa in tutta la mia carriera“, ha affermato Erin Kara, del Massachusetts Institute of Technology, e supervisore di dottorato di Megan.
XMM-Newton continua ad indagare
Nel marzo 2024, XMM-Newton ha indagato di nuovo, e le oscillazioni erano ancora lì. L’oggetto ora viaggiava a circa metà della velocità della luce e completava un’orbita ogni 7 minuti. Qualunque cosa fosse nel disco di accrescimento, si rifiutava ostinatamente di essere divorata dal buco nero. O c’erano più di semplici onde gravitazionali in gioco, o l’intera ipotesi doveva essere modificata.
I ricercatori hanno preso in considerazione anche un’altra possibilità per l’origine delle oscillazioni. Ricordando la scomparsa della corona a raggi X nel 2018, si sono chiesti se la stessa nube potesse essere oscillante.
Il problema era che non esiste una teoria consolidata per spiegare tale comportamento, quindi senza una via chiara per approfondire questa idea, sono tornati al modello originale, rendendosi conto che c’era un modo per modificarlo.
Gli astronomi hanno scoperto che coppie di nane bianche che si avvicinano gradualmente l’una all’altra, man mano che si avvicinano, invece di rimanere intatte, una può iniziare a strappare materia dall’altra, e questo rallenta l’avvicinamento dei due oggetti. Potrebbe essere lo stesso che sta accadendo qui e, invece di dirigersi intatta verso il buco nero, la nana bianca viene lentamente distrutta?
C’è un modo per decidere.
Lo studio futuro di LISA
Negli anni 2030, l’ESA lancerà il Laser Interferometer Space Antenna (LISA), progettato per rilevare onde gravitazionali nella stessa gamma di frequenze in cui 1ES 1927+654 sta emettendo. “Prevediamo che, se c’è una nana bianca in orbita attorno a questo buco nero supermassiccio, LISA dovrebbe vederla“, ha affermato Masterson. Se così fosse, sarebbe uno sguardo affascinante su cosa succede così vicino al mostro gravitazionale.
“Questo è un altro grande esempio delle capacità uniche di XMM-Newton. È stato fondamentale per questo risultato ed è l’unico osservatorio in grado di catturare questo segnale QPO con tale chiarezza. La rilevazione si è basata sulla combinazione unica di XMM-Newton di lunghe osservazioni, una vasta area di raccolta su tutta la banda dei raggi X e una risoluzione temporale“, ha affermato Norbert Schartel, project scientist di XMM-Newton dell’ESA.