Concetto artistico del buco nero chiamato V404 Cygni. Il buco nero sta consumando la stella a sinistra; un’altra stella (in alto a destra) orbita i primi 2 oggetti da più lontano. Questo è il primo buco nero in un sistema stellare triplo e il primo ritenuto formatosi tramite collasso diretto, piuttosto che in una supernova. Immagine via Jorge Lugo/ MIT.

I buchi neri si formano quando il nucleo di una stella molto massiccia collassa su se stesso alla fine della sua vita, schiacciando gravitazionalmente tutta la sua enorme massa in un piccolo punto nello spazio. È logico che i buchi neri si formino insieme alle esplosioni di supernova. Mentre gli strati esterni di una stella esplodono violentemente verso l’esterno, la parte interna della stella collassa violentemente verso l’interno. Ora gli astronomi hanno trovato un buco nero che è parte di un sistema triplo. Ciò suggerisce una storia in cui non si è verificata alcuna supernova, e dove il buco nero si è formato con il metodo più “gentile” del collasso diretto.

Buco nero in un sistema stellare triplo
In teoria, tutto ciò che serve per creare un buco nero è una massa grande in uno spazio ridotto. Una massa abbastanza grande in uno spazio abbastanza piccolo inevitabilmente collasserà per diventare un buco nero. Verrà costretta a collassare dalla propria auto-gravità. Ma tipicamente pensiamo a qualcosa che scatena quel collasso. La stella esaurisce il combustibile ed esplode come una supernova, ad esempio, schiacciando la stella verso l’interno, innescando il collasso, fino a quando la gravità può prendere il sopravvento e fare il resto. Nello spazio reale della nostra galassia, gli astronomi hanno visto buchi neri di massa stellare – oggetti di, diciamo, 5-50 volte la massa del nostro sole – in sistemi doppi. Sono possibili da osservare nei sistemi doppi perché la presenza di una seconda stella consente agli astronomi di notare l’effetto del buco sulla stella, spesso sotto forma di un disco di accrescimento che ruota attorno al buco. Ora, per la prima volta, gli astronomi hanno confermato un buco nero in un sistema stellare triplo. Dicono che è una prova che non si è verificata alcuna supernova in questo sistema e che invece il buco nero si è formato per collasso diretto.
Quindi qui, dicono questi astronomi, c’è il primo buco nero di massa stellare mai trovato che apparentemente si è formato senza l’aiuto di una supernova. Il sistema è chiamato – chiamato V404 Cygni, e si trova a circa 8.000 anni luce di distanza.
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e Caltech hanno annunciato la scoperta il 23 ottobre 2024. Lo stanno (in modo leggermente fuorviante) chiamando un “triplo buco nero.” Ma non ci sono tre buchi neri. C’è un buco nero in un sistema triplo, con due stelle.
I ricercatori, guidati dall’autore principale Kevin Burdge del Dipartimento di Fisica del MIT, hanno pubblicato la loro scoperta revisionata da esperti su Nature il 23 ottobre 2024. È disponibile anche una versione preprint del documento su arXiv.
1° ‘triplo buco nero’ conosciuto
Quindi questo è il primo buco nero di massa stellare conosciuto, in un sistema con tre oggetti invece che solo due. La stella più vicina orbita così vicino al buco nero che il suo “anno” dura solo 6,5 giorni terrestre. Il buco nero sta consumando quella stella, e ci sono prove di un disco di accrescimento di materiale stellare in procinto di essere mangiato, che ruota attorno al buco. Una seconda stella orbita molto più lontano della prima. La seconda stella impiega 70.000 anni per completare un’orbita!
I buchi neri, ovviamente, sono noti per la loro potente attrazione gravitazionale. E la gravità dipende direttamente dalla massa; maggiore è la massa, più forte è l’attrazione. Ma la gravità è inversamente suscettibile alla distanza; cioè, maggiore è la distanza, più debole è l’attrazione. E una stella che orbita ogni 70.000 anni sarebbe davvero lontana dal buco nero. Quindi – se quel buco nero fosse stato una volta una stella massiccia, e se quella stella fosse esplosa come una supernova – come ha fatto il buco a mantenere la terza stella, più distante? Quel mistero sta facendo interrogare gli astronomi su come sia originato il buco nero.
Gli scienziati pensano che i buchi neri tendano a formarsi in modo violento. Questo accade quando una stella morente esplode in una supernova. La stella erutta in un’ultima massiccia esplosione di energia e luce, poi collassa in un buco nero molto più piccolo. Non è realmente un buco, ma un piccolo oggetto così denso che neppure la luce può sfuggirvi. Questo lo rende invisibile agli occhi umani, da cui il nome buco nero.
Una scoperta sorprendente
V404 Cygni è un buco nero ben noto e studiato, confermato per la prima volta nel 1992. Eppure ciò che Burdge e i suoi colleghi hanno trovato non era mai stato osservato prima. I ricercatori hanno utilizzato l’Aladin Lite, un atlante del cielo online di osservazioni astronomiche da telescopi nello spazio e in tutto il mondo, per il loro studio. Stavano effettivamente cercando nuovi buchi neri nella galassia di Via Lattea.
I ricercatori hanno deciso di rivedere anche le immagini di V404 Cygni. Hanno notato due blob di luce vicini tra loro. Gli astronomi già conoscevano il primo blob, che era il materiale attorno al buco nero e una stella in orbita. Ma gli astronomi non avevano mai studiato il secondo blob prima. Il team di ricerca ha detto che probabilmente si trattava di un’altra stella, molto più lontana della prima. Hanno calcolato che la stella esterna fosse distante 3.500 unità astronomiche (AU) dal buco nero. 1 AU è la distanza tra la Terra e il sole. Questa è anche circa 100 volte la distanza di Plutone dal sole. Burdge ha dichiarato: “Il fatto che possiamo vedere due stelle separate su questa grande distanza significa che le stelle devono essere davvero molto distanti tra loro.”

Astrofisici di Caltech e MIT riferiscono di aver osservato per la prima volta un “triplo buco nero”—un sistema di tre stelle, di cui una è un buco nero.https://t.co/1U0Cjix9l7
— Caltech (@Caltech) 23 ottobre 2024

2° stella in tandem con la 1°
Ma questa seconda stella era effettivamente associata gravitazionalmente con l’altra stella e il buco nero? Oppure era completamente separata? Utilizzando il satellite Gaia, i ricercatori hanno determinato che la seconda stella si muoveva esattamente in tandem con la prima stella e il buco nero. Quindi erano tutti parte dello stesso sistema. La missione di Gaia è stata quella di monitorare i movimenti di tutte le stelle nella Via Lattea dal 2014. Con probabilità calcolate di circa una su 10 milioni, non potrebbe essere una coincidenza, hanno osservato i ricercatori. Burdge ha affermato: “È quasi certamente non una coincidenza o un incidente. Stiamo vedendo due stelle che si seguono perché sono collegate da questo debole filo di gravità. Quindi deve essere un sistema triplo.”
Una formazione più gentile?
Ma c’è un problema nel capire come si è formato V404 Cygni. Se fosse stato il risultato di una tipica supernova, allora la seconda stella non dovrebbe nemmeno essere lì. L’incredibile forza dell’esplosione avrebbe dovuto “scaraventarla via” completamente dalla stella esplosiva. Quindi perché è ancora in orbita attorno al buco nero, sebbene a grande distanza?
I ricercatori pensano che si sia formato attraverso un processo più gentile, che chiamano “collasso diretto.” Invece di far terminare la vita della stella in un’esplosione infuocata, essa semplicemente collassa su se stessa. Questo può teoricamente formare un buco nero, ma senza i fuochi d’artificio. Il sistema V404 Cygni potrebbe essere la prima prova diretta di quel processo di formazione. Come ha detto Burdge: “Pensiamo che la maggior parte dei buchi neri si formino da esplosioni violente di stelle, ma questa scoperta aiuta a mettere in dubbio ciò. Questo sistema è super eccitante per l’evoluzione dei buchi neri, e solleva anche quesiti su se ci siano più tripli là fuori.”
Concetto artistico di un sistema binario di buchi neri chiamato GW150914. Molti buchi neri si presentano in tali coppie, ma V404 Cygni è il 1° buco nero triplo confermato. Immagine via Lensing (SXS)/ Wikimedia Commons (CC BY 4.0).
Come tirare un aquilone
Burdge ha paragonato il processo a tirare un aquilone: “Immagina di tirare un aquilone e invece di una corda robusta, stai tirando con una ragnatela. Se tiri troppo forte, la ragnatela si romperà e perderai l’aquilone. La gravità è come questo filo di legame appena accennato che è davvero debole, e se fai qualcosa di drammatico alla binaria interna, perderai la stella esterna.”
I ricercatori hanno testato migliaia di simulazioni al computer, tutte iniziando con tre stelle (la terza stella è quella che diventerà il buco nero). Per la supernova, le simulazioni variavano la quantità di energia che l’esplosione avrebbe emesso e in quale direzione. Hanno anche confrontato gli scenari di supernova con quelli di collasso diretto.
Il collasso diretto è risultato il chiaro vincitore. Come ha osservato Burdge: “La stragrande maggioranza delle simulazioni mostra che il modo più semplice per far funzionare questo triplo è attraverso il collasso diretto.”
Il triplo buco nero è quasi vecchio quanto il nostro sistema solare
Le simulazioni non solo hanno mostrato come si sia formato il sistema V404 Cygni. Hanno anche rivelato la sua età. La stella esterna distante è in procinto di diventare una gigante rossa. Questo significa che ha circa 4 miliardi di anni. Il nostro stesso sistema solare ha circa 4,5 miliardi di anni. Anche il resto del sistema V404 Cygni è probabilmente della stessa età, poiché si pensa che altre stelle vicine si siano formate per la prima volta all’incirca nello stesso periodo della stella esterna nel sistema. Come ha concluso Burdge: “Non siamo mai stati in grado di fare questo prima per un vecchio buco nero. Ora sappiamo che V404 Cygni è parte di un triplo, che potrebbe essersi formato da un collasso diretto, e si è formato circa 4 miliardi di anni fa, grazie a questa scoperta.”
Nel 2021, gli astronomi hanno anche identificato otto anelli concentrici di materiale attorno a V404 Cygni, visibili solo in raggi X e non nella luce visibile. Gli astronomi hanno utilizzato il Chandra X-ray Observatory e il Neil Gehrels Swift Observatory (Swift) per rilevare gli anelli.
In sintesi: i fisici affermano di aver scoperto il primo buco nero noto in un sistema triplo. Due stelle orbitano con il buco nero, una molto vicina e l’altra più lontana.
Fonte: Il buco nero binario a bassa massa da raggi X V404 Cygni è parte di un triplo ampio
Fonte (preprint): Il buco nero binario a bassa massa da raggi X V404 Cygni è parte di un triplo gerarchico ampio, e si è formato senza un colpo
Via MIT
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