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Buchi neri come vulcani

Crediti: M. Brienza / Università di Bologna / INAF

Un gruppo di ricerca internazionale che coinvolge studiosi dell’Università di Bologna e dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) ha osservato per la prima volta con incredibile dettaglio e su scale temporali di centinaia di milioni di anni l’evoluzione di bolle di gas caldo create dai getti di un buco nero attivo: una serie di strutture che ricordano i getti di fumo prodotti da un’eruzione vulcanica.

Pubblicato su Nature Astronomy, lo studio si è concentrato sul sistema Nest200047: un gruppo di una ventina di galassie distante circa 200 milioni di anni luce. La galassia centrale del sistema ospita al suo interno un buco nero attivo attorno a cui sono state osservate contemporaneamente varie coppie di bolle di gas di diverse età e misteriosi filamenti di campi magnetici e particelle relativistiche con dimensioni fino a centinaia di migliaia di anni luce.

La scoperta è stata possibile grazie ad osservazioni realizzate con LOFAR (LOw Frequency ARray), il radiotelescopio a bassa frequenza più esteso al mondo, che è capace di catturare la radiazione prodotta dagli elettroni più antichi che posiamo captare. Questo potente strumento di ultima generazione – frutto di una grande collaborazione tra nove paesi europei – ha permesso agli studiosi di “andare indietro nel tempo” fino a più di 100 milioni di anni fa e ricostruire l’attività del buco nero al centro di Nest200047.

«Le nostre osservazioni mostrano come queste bolle di gas accelerate dal buco nero si espandono e si trasformano nel tempo, creando spettacolari strutture a forma di fungo, anelli e filamenti, simili a quelle create da una potente eruzione vulcanica sulla terra», dice Marisa Brienza, ricercatrice del Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi” dell’Università di Bologna e associata INAF, prima autrice dello studio.

BOLLE DI PARTICELLE

Al centro di tutte le galassie dell’universo c’è un buco nero supermassivo (con una massa pari a diversi milioni di masse solari), la cui attività ha un impatto fondamentale sull’evoluzione della galassia che lo ospita e l’ambiente intergalattico in cui essa si trova. Da diversi anni gli studiosi cercano di capire in che modo e con quali tempistiche l’azione di questi buchi neri faccia sentire i suoi effetti.

Durante le fasi di attività, il buco nero divora il materiale circostante e in questo processo rilascia una grande quantità di energia, a volte anche in forma di getti di particelle che si muovono alla velocità della luce ed emettono onde radio. Questi getti generano delle bolle di particelle e campi magnetici che espandendosi sono in grado di riscaldare e spostare il mezzo intergalattico che li circonda, influenzando enormemente la sua evoluzione e quindi il ritmo con cui si formano le stelle.

I risultati ottenuti da questo nuovo studio mostrano ora che l’attività del buco nero ha un forte impatto anche su scale 100 volte più grandi della galassia ospite e che può durare fino a centinaia di milioni di anni.

«Grazie alle osservazioni effettuate con LOFAR, siamo riusciti ad ottenere uno sguardo unico sull’attività dei buchi neri e sull’effetto che hanno nell’ambiente circostante», spiega Annalisa Bonafede, professoressa dell’Università di Bologna e associata INAF, tra gli autori dello studio. «Il caso del sistema Nest200047 mostra come il ruolo dei campi magnetici e delle particelle accelerate dal buco nero e poi invecchiate sia centrale nel trasferire energia fino alle regioni più esterne dei gruppi di galassie».

Per questo studio, i ricercatori hanno anche sfruttato osservazioni in banda X ottenute utilizzando il nuovo telescopio eROSITA a bordo dell’osservatorio spaziale SRG. I dati in banda X hanno permesso ai ricercatori di studiare le caratteristiche del mezzo intergalattico che circonda le bolle di gas.

FILAMENTI DI GAS

Un’ulteriore sorpresa emersa da queste osservazioni è stata la scoperta di sottili filamenti di gas che si muove a velocità prossime a quella della luce e campi magnetici che si estendono fino ad un milione di anni luce.

I ricercatori ritengono che questi filamenti siano ciò che rimane delle prime bolle prodotte centinaia di milioni di anni fa dal buco nero al centro di Nest200047 e che si stanno ora frantumando mescolandosi al mezzo intergalattico. Lo studio di queste strutture in futuro svelerà nuovi importanti dettagli sulle proprietà fisiche della materia intergalattica e sul meccanismo fisico che regola il trasferimento di energia dalle bolle all’ambiente esterno.

«In futuro sarà possibile andare a studiare gli effetti dei buchi neri nelle galassie e nel mezzo intergalattico con ancora maggior dettaglio, svelando la natura dei filamenti che abbiamo scoperto, grazie alla risoluzione angolare raggiungibile da LOFAR combinando i dati delle antenne LOFAR internazionali», aggiunge Gianfranco Brunetti, astrofisico dell’INAF di Bologna, coordinatore italiano della collaborazione LOFAR e coautore dello studio.

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