Gaia l’investigatrice, così stana le coppie di buchi neri supermassicci

Un team di astrofisici guidato da Filippo Mannucci dell’Istituto nazionale di astrofisica ha ideato un nuovo metodo per individuare rapidamente e sull’intero cielo coppie di buchi neri supermassicci destinati a fondersi insieme alle rispettive galassie. La tecnica si avvale dei dati raccolti dal telescopio spaziale Gaia dell’ESA ed è stata confermata da osservazioni con Hubble, LBT e altri grandi telescopi da terra. I risultati sono descritti in un articolo pubblicato oggi su Nature Astronomy.

È una verità universalmente riconosciuta che un buco nero in possesso di una buona massa debba necessariamente cercare un compagno. Lo abbiamo appurato, da qualche anno, per buchi neri relativamente piccoli – decine di masse solari – grazie alla rivelazione delle onde gravitazionali che generano quando si fondono. E lo stesso sembra valere anche per quelli supermassicci – centinaia di milioni, se non miliardi, di masse solari – che albergano nel cuore delle galassie. Quando due galassie si scontrano, e lo fanno spesso, si uniscono e i due buchi neri supermassicci iniziano a spiraleggiare l’uno attorno all’altro, in quella danza gravitazionale che prima o poi li condurrà inevitabilmente a fondersi.

Di coppie di questo genere – in grado di produrre due nuclei galattici attivi (AGN, dall’inglese active galactic nucleus) all’interno dell’unica galassia risultante dalla fusione – l’universo dev’essere pieno: è quanto prevedono i modelli cosmologici basati sul cosiddetto merging gerarchico. Ma è una previsione ancora in attesa di verifica osservativa, a causa dell’enorme difficoltà che individuare queste coppie comporta. Ora però, grazie all’intuizione di un team d’astrofisici guidato da Filippo Mannucci dell’Istituto nazionale di astrofisica (INAF), è stato messo a punto un metodo originale che consente di ottenere campioni estesi e affidabili di “candidati AGN doppi” – vale a dire, appunto, possibili coppie di buchi neri supermassicci. La nuova tecnica, descritta in un articolo pubblicato oggi su Nature Astronomy, sfrutta i dati raccolti da uno strumento progettato per tutt’altro scopo: il satellite Gaia dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), nato per compilare la mappa multidimensionale più precisa e completa della Via Lattea. E si avvale, per la verifica dei risultati, delle capacità straordinarie di eseguire osservazioni ad alta risoluzione consentite, dallo spazio, dal telescopio Hubble, e da terra – grazie al sistema di ottiche adattive che annulla le distorsioni introdotte dalla turbolenza atmosferica – dal Large Binocular Telescope (LBT).

«Abbiamo scavato nello sconfinato archivio del telescopio spaziale Gaia dell’ESA e utilizzato per la prima volta una proprietà misurata ma mai usata. Questo parametro», spiega Filippo Mannucci, dirigente di ricerca all’INAF di Arcetri,

«si è rivelato utilissimo per il nostro problema, aprendo un campo tutto nuovo. È stato emozionante vedere come i telescopi specializzati per ottenere immagini di alta risoluzione – il telescopio spaziale Hubble e, ancora meglio, LBT, grazie al sistema di ottiche adattive SOUL realizzato dall’INAF – abbiano confermato il nuovo metodo: un ottimo esempio di uso sincronizzato di vari telescopi, spaziali e da terra. Dopo la scrittura dell’articolo abbiamo ottenuto altre conferme e iniziato un grande studio statistico usando anche i telescopi del Keck, alle Hawaii, e il Very Large Telescope dell’ESO, in Cile. E stiamo usando altri telescopi da terra, come TNG, NTT e Asiago, per allargare il campione».

«Il nuovo parametro pubblicato nell’ultima release del catalogo Gaia», aggiunge Elena Pancino dell’INAF di Arcetri, coautrice dello studio, riferendosi alla “proprietà misurata ma mai usata” citata da Mannucci, «indica la presenza di picchi multipli nei profili di luce unidimensionali prodotti dal satellite ESA, e si sta rivelando utile soprattutto alla comunità stellare galattica per identificare binarie visuali o fisiche, per cui abbiamo pensato di testarlo sugli AGN».

Volendo fare un’analogia, pensiamo a una fotocellula piazzata all’ingresso di un’attrazione – un museo, uno stadio, un supermercato – per contare le persone che entrano: una persona, un picco di segnale. Se entro un intervallo di tempo molto breve – un secondo, per esempio – vengono prodotti due picchi, significa che sono entrate due persone a distanza molto ravvicinata. Forse una coppia? È possibile. Per capirlo, occorre anzitutto stabilire sotto a quale soglia di distanza fra due picchi possa aver senso ipotizzare che si tratti di una coppia.

Fuor di metafora: quanto devono essere vicini fra loro, due buchi neri, per poter essere considerati una coppia?

«Sono una coppia quando fanno parte della stessa galassia, ma questo non riusciamo a determinarlo direttamente. Assumiamo quindi una distanza massima di circa 20mila anni luce», dice un altro dei coautori dello studio, Alessandro Marconi dell’Università di Firenze. «È una distanza inferiore a quella fra il Sole e il centro della Via Lattea, che ad un redshift superiore a 0.5 corrisponde a meno di 1 secondo d’arco».

Assumendo tale soglia, le coppie di buchi neri supermassicci attualmente note sono soltanto quattro. Ma con il metodo del gruppo di astronomi fiorentini questo numero potrebbe esplodere, arrivando potenzialmente a molte centinaia. Questo grazie al fatto che Gaia, pur realizzato per studi stellari, è l’unico strumento che abbia osservato l’intero cielo in alta risoluzione, ed è dunque anche l’unico in grado di trovare ­– evidenziandole con i suoi picchi multipli – queste coppie molto vicine, e molto rare, di buchi neri supermassicci.

«Certo, una volta individuate, queste potenziali coppie vanno poi confermate una a una, ed è un processo lento», sottolinea Mannucci, «che richiede il ricorso a misure di spettroscopia. Per ora siamo riusciti a confermarne due, ma già abbiamo ottenuto dall’ESO la possibilità di usare lo strumento MUSE del Very Large Telescope per osservarne altre trenta nel prossimo semestre».

Allo studio pubblicato oggi su Nature Astronomy, intitolato “Unveiling the population of dual- and lensed- AGNs at sub-arcsec separations with Gaia”, hanno preso parte numerosi astrofisici dell’INAF di Arcetri (oltre ai già citati Filippo Mannucci ed Elena Pancino, Francesco Belfiore, Giovanni Cresci, Antonino Marasco, Emanuele Nardini, Enrico Pinna), dell’Università di Firenze (oltre ad Alessandro Marconi, Elisabetta Lusso e Giulia Tozzi), dell’INAF di Brera (Paola Severgnini, Paolo Saracco) e di alcuni istituti esteri (Claudia Cicone dell’Università di Oslo, Anna Ciurlo di Ucla e Sherry Yeh del W. M. Keck Observatory).

Testo e foto dall’Ufficio stampa – Struttura per la Comunicazione di Presidenza Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)