Perché i buchi neri brillano?

I buchi neri sono oggetti bizzarri, anche per gli standard degli astronomi. La loro massa è così grande che piega lo spazio attorno a loro così strettamente che nulla può sfuggire, nemmeno la luce stessa.

Eppure, nonostante la loro famosa oscurità, alcuni buchi neri sono ben visibili. Il gas e le stelle che questi vuoti galattici divorano vengono risucchiati in un disco luminoso prima del loro viaggio di sola andata nel buco, e questi dischi possono brillare più intensamente di intere galassie.

Ancora più strano, questi buchi neri brillano. La luminosità dei dischi luminosi può variare di giorno in giorno e nessuno è del tutto sicuro del perché.

Alcuni ricercatori hanno sostenuto lo sforzo di difesa degli asteroidi della NASA per osservare più di 5.000 dei buchi neri a crescita più rapida nel cielo per cinque anni, nel tentativo di capire perché si verifica questo scintillio. In un nuovo articolo su Nature Astronomy, riportano la nostra risposta: una sorta di turbolenza guidata dall’attrito e da intensi campi gravitazionali e magnetici.

Giganteschi mangiatori di stelle

I buchi neri supermassicci, quelli che si trovano al centro delle galassie e sono massicci come milioni o miliardi di Soli.

La nostra galassia, la Via Lattea, ha al centro uno di questi giganti, con una massa di circa quattro milioni di soli. Per la maggior parte, i circa 200 miliardi di stelle che compongono il resto della galassia (incluso il nostro Sole) orbitano felicemente attorno al buco nero al centro.

Tuttavia, le cose non sono così tranquille in tutte le galassie. Quando coppie di galassie si attraggono a vicenda per gravità, molte stelle potrebbero finire trascinate troppo vicino al buco nero della loro galassia. Questo finisce male per le stelle: vengono fatte a pezzi e divorate.

Siamo fiduciosi che ciò sia accaduto in galassie con buchi neri che pesano fino a un miliardo di soli, perché non possiamo immaginare in quale altro modo avrebbero potuto diventare così grandi. Potrebbe anche essere successo in passato nella Via Lattea.

I buchi neri possono anche nutrirsi in modo più lento e delicato: aspirando nubi di gas espulse da stelle geriatriche note come giganti rosse.

Allattamento

Nel nuovo studio, hanno esaminato da vicino il processo di alimentazione tra i 5.000 buchi neri a crescita più rapida nell’Universo.

In studi precedenti, hanno scoperto i buchi neri con l’appetito più vorace. L’anno scorso, hanno trovato un buco nero che divora una quantità di materiale pari a quello terrestre ogni secondo. Nel 2018 ne hanno trovato uno che mangia un Sole intero ogni 48 ore.

Ma ci sono molte domande sul loro effettivo comportamento alimentare. Sappiamo che il materiale che entra nel buco si trasforma in un “disco di accrescimento” luminoso che può essere abbastanza luminoso da eclissare intere galassie. Questi buchi neri che si nutrono visibilmente sono chiamati quasar.

La maggior parte di questi buchi neri è molto, molto lontana, troppo lontana perché possiamo vedere qualsiasi dettaglio del disco. Abbiamo alcune immagini di dischi di accrescimento attorno a buchi neri vicini, ma stanno semplicemente respirando del gas cosmico piuttosto che banchettare con le stelle.

Cinque anni di tremolanti buchi neri

Nel nuovo studio, hanno utilizzato i dati del telescopio ATLAS della NASA alle Hawaii. Scansiona l’intero cielo ogni notte (tempo permettendo), monitorando gli asteroidi che si avvicinano alla Terra dall’oscurità esterna.

Queste scansioni dell’intero cielo forniscono anche una registrazione notturna del bagliore di buchi neri affamati, in profondità sullo sfondo. Il team ha messo insieme un filmato di cinque anni di ciascuno di quei buchi neri, mostrando i cambiamenti quotidiani di luminosità causati dal vortice ribollente del disco di accrescimento.

Lo scintillio di questi buchi neri può dirci qualcosa sui dischi di accrescimento.

Nel 1998, gli astrofisici Steven Balbus e John Hawley hanno proposto una teoria delle “instabilità magneto-rotazionali” che descrive come i campi magnetici possono causare turbolenza nei dischi. Se questa è l’idea giusta, i dischi dovrebbero sfrigolare secondo schemi regolari. Scintillerebbero in schemi casuali che si dispiegano mentre i dischi orbitano. I dischi più grandi orbitano più lentamente con uno scintillio lento, mentre le orbite più strette e veloci nei dischi più piccoli brillano più rapidamente.

Ma i dischi nel mondo reale si dimostrerebbero così semplici, senza ulteriori complessità? (Se “semplice” sia la parola giusta per la turbolenza in un ambiente ultra denso e fuori controllo immerso in intensi campi gravitazionali e magnetici dove lo spazio stesso è piegato fino al punto di rottura è forse una questione a parte.)

Usando metodi statistici hanno misurato quanto la luce emessa dai 5.000 dischi tremolava nel tempo. Il modello di sfarfallio in ognuno sembrava leggermente diverso.

Ma quando li hanno ordinati per dimensione, luminosità e colore, hanno iniziato a vedere motivi intriganti. Sono stati in grado di determinare la velocità orbitale di ciascun disco e, una volta impostato l’orologio in modo che funzioni alla velocità del disco, tutti i modelli di sfarfallio hanno iniziato a sembrare uguali.

Questo comportamento universale è infatti previsto dalla teoria delle “instabilità magneto-rotazionali“.

È confortante! Significa che questi vortici da capogiro sono “semplici” dopo tutto.

E apre nuove possibilità. Pensiamo che le restanti sottili differenze tra i dischi di accrescimento si verifichino perché li stiamo osservando da diversi orientamenti.

Il prossimo passo è esaminare più da vicino queste sottili differenze e vedere se contengono indizi per discernere l’orientamento di un buco nero. Alla fine, le future misurazioni dei buchi neri potrebbero essere ancora più accurate.