Buchi neri supermassicci formano 4 bolle: la scoperta di Unibo

Bologna, 17 dicembre 2021 - Un gruppo di ricerca guidato da studiosi dell’Università di Bologna e dell’Inaf (Istituto Nazionale di Astrofisica) ha individuato grazie al Chandra X-ray Observatory - il telescopio orbitale della NASA - quattro enormi cavità, o bolle, formatesi al centro di un ammasso di galassie. La formazione di queste cavità sembrerebbe essere dovuta all'unione, in un'orbita ravvicinata, di due buchi neri supermassicci. Lo studio è stato pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, con il titolo “The deepest Chandra view of RBS 797: evidence for two pairs of equidistant X-ray cavities”. 

A confronto l'immagine ottica e nei raggi X dell'ammasso di galassie RBS 797

A confronto l'immagine ottica e nei raggi X dell'ammasso di galassie RBS 797 (Immagine: NASA / STScl / M.Calzadilla | NASA / CXC / Università di Bologna / F. Ubertosi)

La scoperta

Gli ammassi di galassie sono le più grandi strutture connesse dalla forza di gravità presenti nell’universo. Sono formate da gruppi di centinaia o anche migliaia di singole galassie, insieme ad enormi quantità di gas caldo e invisibile materia oscura. In particolare, il gas che pervade gli ammassi, la cui massa è di gran lunga superiore a quella delle galassie al loro interno, è ben visibile ai raggi X catturati da Chandra.

L’ammasso oggetto della nuova ricerca – noto come RBS 797 – si trova a circa 3,9 miliardi di anni luce dal nostro pianeta: al suo interno gli studiosi hanno individuato le due coppie di cavità, che si estendono a partire dalla zona centrale.

Cavità o bolle di questo tipo sono già state osservate in altri ammassi di galassie: gli scienziati ritengono che siano generate da eruzioni che nascono nei pressi di un buco nero supermassiccio, al centro di queste enormi formazioni cosmiche. Nella sua fase attiva, il buco nero divora il materiale circostante e in questo processo rilascia una grande quantità di energia, a volte sotto forma di getti di materia ad altissima velocità che creano così cavità in direzioni opposte all’interno del gas caldo intergalattico.

In questo caso però, le cavità osservate dagli studiosi sono quattro: due coppie tra loro perpendicolari, una in direzione est-ovest e una in direzione nord-sud. È la prima volta che un fenomeno di questo tipo viene rilevato.

“Abbiamo una buona idea della possibile origine di una coppia di queste cavità”, spiega Francesco Ubertosi, dottorando dell’Università di Bologna e associato INAF, primo autore dello studio. “Ma come si può spiegare la presenza di due coppie di cavità equidistanti tra loro all’interno di un ammasso di galassie?”

La prima di queste due coppie di cavità nel gas caldo, quella in direzione est-ovest, era già stata individuata da una precedente studio, ma la seconda, quella in direzione nord-sud, è una novità. Per scoprirla, gli studiosi hanno ricostruito un’immagine che utilizza i dati rilevati in quasi cinque giorni di osservazioni del telescopio Chandra. La conferma viene anche da osservazioni realizzate dal radiotelescopio Very Large Array, che hanno individuato emissioni radio sovrapponibili alle enormi cavità presenti in RBS 797. 

Una possibile spiegazione di questo fenomeno, fino ad oggi mai osservato, è la presenza all’interno dell’ammasso di galassie di due buchi neri supermassicci che, quasi in contemporanea, hanno espulso getti di materia in direzioni tra loro perpendicolari.

“L’ipotesi che ci sembra più probabile è che queste due coppie di cavità siano state generate dall’azione di due buchi neri supermassicci”, conferma Myriam Gitti, professoressa dell’Università di Bologna e associata INAF, coautrice dello studio. “Pensiamo sia possibile che due buchi neri supermassicci formino dei sistemi binari, ma è estremamente raro che entrambi vengano osservati in una fase attiva: in questo senso la scoperta di due nuclei galattici ravvicinati ed entrambi attivi è davvero straordinaria”.

Alcune osservazioni radio realizzate dallo European VLBI Network (EVN), un consorzio formato dai maggiori istituti europei di radioastronomia, aveva già individuato in passato nell’ammasso RBS 797 due fonti radio separate tra loro da circa 250 anni luce. Se entrambe queste fonti fossero buchi neri supermassicci si tratterebbe di una delle coppie di buchi neri più ravvicinati tra loro mai rilevata. In questo caso, i due buchi neri continuerebbero a orbitare avvicinandosi sempre più uno all’altro, generando grandi quantità di onde gravitazionali fino ad arrivare alla fusione.

C’è però anche un’altra possibile spiegazione per le due coppie di cavità osservate al centro dell’ammasso RBS 797: un singolo buco nero supermassiccio i cui getti di materia in qualche modo cambiano direzione piuttosto rapidamente. Dalle osservazioni di Chandra la differenza di età tra le due coppie di cavità, da quella in direzione est-ovest a quella nord-sud, è infatti di meno di 10 milioni di anni. 

Il contributo dell'Università di Bologna

Per l’Università di Bologna, dal Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi”, hanno partecipato Francesco Ubertosi, Myriam Gitti (entrambi affiliati INAF) e Fabrizio Brighenti. Per l’Inaf hanno partecipato inoltre Gianfranco Brunetti, Alessandro Ignesti, Massimo Gaspari, Stefano Ettori, Luigina Feretti.

(Foto in apertura: L'ammasso di galassie RBS 797 osservato nei raggi X con in evidenza le due coppie di cavità, o bolle, in direzione est-ovest e nord-sud (Immagine: NASA / CXC / Università di Bologna / F. Ubertosi) )