I buchi neri sono gli oggetti più estremi dell’Universo. Le versioni supermassicce di questi oggetti incredibilmente densi risiedono probabilmente al centro di tutte le grandi galassie. I buchi neri di massa stellare, che pesano da cinque a 100 volte la massa del Sole, sono molto più comuni, con una stima di 100 milioni nella sola Via Lattea. Solo una manciata è stata confermata fino ad oggi, tuttavia, e quasi tutti sono “attivi”, il che significa che brillano intensamente nei raggi X mentre consumano materiale da un vicino compagno stellare, a differenza dei buchi neri dormienti che non lo fanno.
Gli astronomi che utilizzano il telescopio Gemini North alle Hawaii, uno dei telescopi gemelli dell’Osservatorio internazionale Gemini, gestito dal NOIRLab della NSF, hanno scoperto il buco nero più vicino alla Terra, che i ricercatori hanno soprannominato Gaia BH1. Questo buco nero dormiente è circa 10 volte più massiccio del Sole e si trova a circa 1600 anni luce di distanza nella costellazione dell’Ofiuco, rendendolo tre volte più vicino alla Terra rispetto al precedente detentore del record, un binario a raggi X nella costellazione dell’Unicorno. La nuova scoperta è stata resa possibile effettuando squisite osservazioni del moto della compagna del buco nero, una stella simile al Sole che orbita attorno al buco nero a circa la stessa distanza della Terra attorno al Sole.
“Prendi il Sistema Solare, metti un buco nero dove si trova il Sole e il Sole dove si trova la Terra, e ottieni questo sistema”, ha spiegato Kareem El-Badry, astrofisico del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian e il Max Planck Institute for Astronomy, e l’autore principale dell’articolo che descrive questa scoperta. “Sebbene ci siano stati molti rilevamenti dichiarati di sistemi come questo, quasi tutte queste scoperte sono state successivamente confutate. Questo è il primo rilevamento inequivocabile di una stella simile al Sole in un’ampia orbita attorno a un buco nero di massa stellare nella nostra Galassia”.
Sebbene ci siano probabilmente milioni di buchi neri di massa stellare che vagano per la Via Lattea, quei pochi che sono stati rilevati sono stati scoperti dalle loro interazioni energetiche con una stella compagna. Quando il materiale proveniente da una stella vicina entra a spirale verso il buco nero, si surriscalda e genera potenti raggi X e getti di materiale. Se un buco nero non si sta alimentando attivamente (cioè è dormiente) si fonde semplicemente con l’ambiente circostante.
“Ho cercato buchi neri dormienti negli ultimi quattro anni utilizzando una vasta gamma di set di dati e metodi”, ha affermato El-Badry. “I miei precedenti tentativi, così come quelli di altri, hanno rivelato un serraglio di sistemi binari mascherati da buchi neri, ma questa è la prima volta che la ricerca ha dato i suoi frutti”.
Il team ha originariamente identificato il sistema come potenziale ospite di un buco nero analizzando i dati della navicella spaziale Gaia dell’Agenzia spaziale europea. Gaia ha catturato le minuscole irregolarità nel movimento della stella causate dalla gravità di un oggetto massiccio invisibile. Per esplorare il sistema in modo più dettagliato, El-Badry e il suo team si sono rivolti allo strumento Gemini Multi-Object Spectrograph su Gemini North, che ha misurato la velocità della stella compagna mentre orbita attorno al buco nero e ha fornito una misurazione precisa del suo periodo orbitale. Le osservazioni di follow-up di Gemini sono state fondamentali per limitare il movimento orbitale e quindi le masse dei due componenti nel sistema binario, consentendo al team di identificare il corpo centrale come un buco nero circa 10 volte più massiccio del nostro Sole.
“Le nostre osservazioni di follow-up Gemini hanno confermato oltre ogni ragionevole dubbio che il sistema binario contiene una stella normale e almeno un buco nero dormiente”, ha spiegato El-Badry. “Non siamo riusciti a trovare uno scenario astrofisico plausibile che possa spiegare l’orbita osservata del sistema che non coinvolga almeno un buco nero”.
Il team ha fatto affidamento non solo sulle superbe capacità di osservazione di Gemini North, ma anche sulla capacità di Gemini di fornire dati in tempi ristretti, poiché il team aveva solo una breve finestra per eseguire le osservazioni di follow-up.
“Quando abbiamo avuto le prime indicazioni che il sistema conteneva un buco nero, avevamo solo una settimana prima che i due oggetti si trovassero alla massima separazione nelle loro orbite. Le misurazioni a questo punto sono essenziali per fare stime accurate della massa in un sistema binario”. disse El-Badry. “La capacità di Gemini di fornire osservazioni su un breve lasso di tempo è stata fondamentale per il successo del progetto. Se avessimo perso quella finestra ristretta, avremmo dovuto aspettare un altro anno”.
Gli attuali modelli astronomici dell’evoluzione dei sistemi binari hanno difficoltà a spiegare come sia potuta sorgere la peculiare configurazione del sistema Gaia BH1. Nello specifico, la stella progenitrice che successivamente si è trasformata nel buco nero appena scoperto sarebbe stata almeno 20 volte più massiccia del nostro Sole. Ciò significa che avrebbe vissuto solo pochi milioni di anni. Se entrambe le stelle si fossero formate contemporaneamente, questa stella massiccia si sarebbe rapidamente trasformata in una supergigante, gonfiandosi e inghiottendo l’altra stella prima che avesse il tempo di diventare una vera e propria stella della sequenza principale, che brucia idrogeno, come il nostro Sole.
Non è affatto chiaro come la stella di massa solare possa essere sopravvissuta a quell’episodio, finendo come una stella apparentemente normale, come indicano le osservazioni della binaria del buco nero. I modelli teorici che consentono la sopravvivenza prevedono tutti che la stella di massa solare dovrebbe essere finita su un’orbita molto più stretta di quanto effettivamente osservato.
Ciò potrebbe indicare che ci sono importanti lacune nella nostra comprensione di come si formano ed evolvono i buchi neri nei sistemi binari, e suggerisce anche l’esistenza di una popolazione non ancora esplorata di buchi neri dormienti nei sistemi binari.
“È interessante che questo sistema non sia facilmente adattato ai modelli di evoluzione binaria standard”, ha concluso El-Badry. “Pone molte domande su come si è formato questo sistema binario, così come quanti di questi buchi neri dormienti ci sono là fuori”.
“Come parte di una rete di osservatori spaziali e terrestri, Gemini North non solo ha fornito una forte evidenza per il buco nero più vicino fino ad oggi, ma anche il primo sistema di buco nero incontaminato, non ingombrato dal solito gas caldo che interagisce con il buco nero “, ha affermato Martin Still, responsabile del programma Gemini della NSF. “Anche se questo fa presagire potenzialmente scoperte future della prevista popolazione di buchi neri dormienti nella nostra Galassia, le osservazioni lasciano anche un mistero da risolvere: nonostante una storia condivisa con il suo vicino esotico, perché la stella compagna in questo sistema binario è così normale? ”
Le osservazioni di Gemini North sono state effettuate come parte del programma temporale discrezionale di un direttore (ID programma: GN-2022B-DD-202).
L’Osservatorio internazionale Gemini è gestito da una partnership di sei paesi, tra cui gli Stati Uniti attraverso la National Science Foundation, il Canada attraverso il National Research Council of Canada, il Cile attraverso l’Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, il Brasile attraverso il Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações, Argentina attraverso il Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación, e Corea attraverso il Korea Astronomy and Space Science Institute. Questi partecipanti e l’Università delle Hawaii, che ha accesso regolare a Gemini, gestiscono ciascuno un “Ufficio nazionale Gemini” per supportare i propri utenti locali.
