Un buco nero supermassiccio è stato espulso dalla galassia in cui si trovava e ora vaga per l'universo

I buchi neri supermassicci sono oggetti con masse che oscillano tra milioni e miliardi di masse solari e si trovano al centro della maggior parte delle galassie osservate.

Le prove indicano che praticamente tutte le galassie ellittiche e a spirale, inclusa la Via Lattea con Sagittario A*, ospitano un buco nero supermassiccio centrale. Questi oggetti esercitano una forte influenza gravitazionale sul nucleo galattico e sembrano essere correlati all’evoluzione galattica.

Non conosciamo ancora l’origine dei buchi neri supermassicci, come siano arrivati al centro delle galassie né perché tutte le galassie ne abbiano uno. Le osservazioni mostrano correlazioni tra la massa del buco nero e le proprietà globali della galassia ospite, come la dispersione della velocità delle stelle nel rigonfiamento e la massa stellare totale.

Queste correlazioni suggeriscono che potrebbe esserci una coevoluzione tra le galassie e i loro buchi neri centrali. Tuttavia, non è ancora chiaro se si siano formati prima i buchi neri supermassicci o le galassie.

Recentemente, osservazioni realizzate con il James Webb hanno rivelato prove di un buco nero supermassiccio apparentemente espulso dalla sua galassia ospite. I dati mostrano una scia di emissione che indica che il buco nero potrebbe essere stato espulso dal centro della galassia. Il gruppo di ricerca ha analizzato le proprietà della traiettoria del buco nero supermassiccio per comprendere come sia avvenuto il processo di espulsione. Si tratta di un caso insolito di un buco nero supermassiccio che vaga attraverso l’universo.

Buchi neri supermassicci

I buchi neri sono oggetti la cui massa può andare da pochi milioni a miliardi di masse solari. Quando un buco nero si trova in questo intervallo di masse, viene definito buco nero supermassiccio. Questi oggetti si trovano al centro delle galassie e sono già stati osservati direttamente dal Telescopio dell’Orizzonte degli Eventi con le fotografie di M87* e Sagittario A* pubblicate rispettivamente nel 2019 e nel 2022.

Quando questi oggetti si trovano nella loro fase attiva, accumulano materia e formano un disco caldo ed energetico. Questo disco produce radiazione e, in alcuni casi, getti relativistici che possono estendersi per diversi anni luce. Inoltre, i buchi neri supermassicci mostrano correlazioni con le proprietà delle loro galassie ospiti.

Queste correlazioni suggeriscono un processo coevolutivo tra la crescita del buco nero e la formazione delle galassie. Ciò indica anche l’esistenza di un processo mediato dalla retroalimentazione energetica del buco nero che regola la formazione stellare.

Il mistero di questi oggetti

Nonostante decenni di osservazioni, non si conosce ancora come si siano formati i buchi neri supermassicci né come abbiano raggiunto il centro delle galassie. Questo rimane uno dei principali misteri dell’evoluzione degli oggetti nell’universo.

I principali scenari di formazione includono il collasso diretto di nubi di gas primordiali oppure la crescita graduale di nuclei più piccoli tramite accrescimento e fusioni. Nessuno di questi modelli spiega completamente l’esistenza di questi oggetti quando l’universo aveva meno di un miliardo di anni.

Il Telescopio Spaziale James Webb è stato progettato proprio per indagare questo problema osservando galassie con alti spostamenti verso il rosso, cioè durante la giovinezza dell’universo. I suoi dati ci permettono di identificare candidati a buchi neri primordiali, misurare i tassi di accrescimento e caratterizzare le prime galassie. Mappando la coevoluzione tra i buchi neri e le loro galassie ospiti nell’universo giovane, il James Webb ci aiuta a comprendere meglio come possa essersi verificato il processo di formazione.

Il buco nero che è stato espulso

Con questo obiettivo, un gruppo di ricercatori ha utilizzato osservazioni del Telescopio Spaziale James Webb per studiare buchi neri supermassicci. In alcune di queste osservazioni, il gruppo ha rilevato un caso di un buco nero supermassiccio che è stato espulso dalla sua galassia ospite. Secondo l’analisi, l’oggetto ha circa 10 milioni di masse solari e si muove a circa 1000 km/s. Questa velocità ha attirato l’attenzione perché relativamente alta rispetto ad alcuni processi dinamici nelle galassie.

L’espulsione di un buco nero supermassiccio può avvenire dopo la fusione di due buchi neri supermassicci. I dati del JWST mostrano che il buco nero che fugge interagisce con il mezzo interstellare, creando una struttura su scala galattica e una scia di circa 200.000 anni luce. In questa scia, il gas si comprime e si raffredda, innescando episodi di formazione stellare. In altre parole, il buco nero ha lasciato dietro di sé una scia di stelle in formazione.

Come sfuggono i buchi neri?

I buchi neri supermassicci possono sfuggire dalle loro galassie attraverso un processo chiamato rinculo gravitazionale. Il rinculo gravitazionale è un effetto relativistico che si produce dopo la fusione di due buchi neri che emettono onde gravitazionali con un momento lineare asimmetrico. Di conseguenza, il buco nero risultante riceve un impulso che può espellerlo dalla sua galassia se è sufficientemente intenso e se raggiunge velocità superiori alla velocità di fuga.

Un secondo meccanismo tramite il quale i buchi neri possono essere espulsi dalle loro galassie implica interazioni dinamiche a tre corpi nel centro delle galassie in fusione. Se una galassia contiene già un sistema binario di buchi neri supermassicci e si introduce un terzo buco nero durante una nuova fusione, il sistema diventa instabile. La redistribuzione di energia e momento orbitale provoca l’accelerazione e l’espulsione di uno dei buchi neri dal sistema.

Riferimento della notizia

van Dokkum et al. JWST Confirmation of a Runaway Supermassive Black Hole via its Supersonic Bow Shock arXiv