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Al centro di quasi tutte le grandi galassie si annida un buco nero supermassiccio, con masse che possono superare anche miliardi di volte quella del Sole. Nonostante questa ampia diffusione, il processo attraverso cui questi oggetti raggiungono dimensioni così estreme resta una delle principali questioni aperte dell’astrofisica moderna. Il solo accrescimento di gas e materia circostante non sembra sufficiente a spiegare sia la rapidità della loro crescita che il raggiungimento di masse così elevate, per cui le fusioni tra buchi neri, innescate dalle collisioni tra galassie, rappresentano uno dei meccanismi di crescita più plausibili.
L’unione tra buchi neri è un fenomeno comune, riscontrato in tutto l’Universo. I due corpi si avvicinano sempre di più orbitando l’uno attorno all’altro fino a coalescere in un unico oggetto. Osservare direttamente queste coppie nel momento in cui si trovano a distanze ridotte, tuttavia, si è rivelato finora estremamente difficile.
Uno studio recente sulla galassia Markarian 501 (Mrk 501), nella costellazione di Ercole, fornisce ora una delle evidenze più convincenti mai ottenute.
Un team internazionale, guidato dall’astrofisica Silke Britzen del Max Planck Institute for Radio Astronomy, ha identificato segnali osservativi compatibili con la presenza di due buchi neri supermassicci in orbita ravvicinata, posti nel nucleo di questa galassia. I risultati saranno pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Il nucleo attivo di Mrk 501 è noto per emettere un potente getto relativistico, orientato in direzione della Terra e quindi particolarmente luminoso. Analizzando osservazioni radio ad alta risoluzione raccolte nell’arco di circa 23 anni, i ricercatori hanno però scoperto che la struttura è più complessa di quanto previsto: accanto all’emissione principale emerge infatti un secondo getto, finora sfuggito all’osservazione.
La galassia Mrk 501 osservata in tre diversi giorni a una frequenza di 43 gigahertz. I cerchi grigi evidenziano le regioni luminose all’interno dei getti. Il getto arancione, (Jet 1) è orientato verso la Terra; il secondo, in blu (Jet 2), è quello scoperto di recente e mostra grandi variazioni morfologiche nell’arco di poche settimane. Entrambi i flussi di particelle hanno origine in regioni molto vicine nel nucleo della galassia. La freccia mostra la posizione del buco nero (BH 1) associato al Jet 1. (Crediti: S. Britzen)
Questa scoperta rappresenta la prima evidenza diretta di un sistema a doppio getto nel centro di una galassia, interpretato come la firma di due buchi neri supermassicci distinti. Ancora più rilevante è la possibilità di seguirne l’evoluzione dinamica nel tempo: il secondo flusso mostra infatti variazioni sistematiche nella posizione e nella direzione. Inoltre, sembra aver origine da una regione posta dietro il buco nero principale e mostra un moto orbitale attorno ad esso, comportamento coerente con una configurazione binaria in cui i due buchi neri si muovono lungo un’orbita comune e il cui piano appare instabile o oscillante.
L’analisi delle variazioni di luminosità e delle configurazioni geometriche ricorrenti ha permesso di stimare un periodo orbitale di circa 121 giorni. La separazione tra i due oggetti risulta compresa tra 250 e 540 unità astronomiche, una distanza sorprendentemente ridotta per corpi con grandezze dell’ordine di 10⁸–10⁹ masse solari.
Un ulteriore indizio chiave è stato osservato nel giugno 2022, quando le emissioni dei due corpi hanno assunto una morfologia apparente chiamata ‘anello di Einstein‘. Questo fenomeno ottico è interpretabile come il risultato di un allineamento quasi perfetto lungo la linea di vista, con il buco nero in primo piano che agisce da lente gravitazionale amplificando e distorcendo la radiazione proveniente dal secondo getto.
Nonostante questi risultati, la risoluzione angolare attualmente raggiungibile, anche con strumenti come l’Event Horizon Telescope, non consente di distinguere direttamente i due buchi neri come sorgenti separate. La coppia offre comunque un’opportunità unica per studiare indirettamente le fasi finali dell’evoluzione di un sistema binario formato da oggetti supermassicci.
Le stime suggeriscono che l’attuale separazione orbitale potrebbe ridursi rapidamente, portando alla fusione in tempi dell’ordine di un secolo, un intervallo estremamente breve su scala cosmica.
Durante questo processo si prevede l’emissione di onde gravitazionali a frequenze molto basse, potenzialmente rilevabili tramite reti di temporizzazione di pulsar, cioè gruppi di radiotelescopi che monitorano con estrema precisione il ritmo regolare dei segnali emessi dalle pulsar, misurando minime variazioni nei tempi di arrivo, indicative del passaggio di onde gravitazionali su scala galattica.
Mrk 501 emerge quindi come un candidato privilegiato per collegare direttamente un segnale di onde gravitazionali a una sorgente identificata. Se tale associazione verrà confermata, sarà possibile osservare in tempo reale, su scala astronomica, l’evoluzione di un sistema destinato a una fusione catastrofica.
Guarda anche un video sulla fusione primordiale tra due buchi neri, individuata grazie al telescopio spaziale di Nasa/Esa/Csa ‘James Webb’ 👉
Immagine di apertura: un rendering artistico che mostra la galassia mrk 501, dalla quale si emanano due potenti getti. Il buco nero supermassiccio al centro piega parzialmente la luce di un secondo getto, dietro quello che si chiama ‘anello di Einstein’
La seconda emissione è quasi certamente generata da un altro buco nero, impossibile però da osservare.
Crediti: Emma Kun / Hun-RenN Konkoly Observatory