Grandi galassie come la nostra ospitano Buchi Neri Supermassivi (SMBH). Possono essere così enormi da sfuggire alla comprensione, con alcuni che hanno massa miliardi di volte quella del Sole. Il nostro, chiamato Sagittarius A* (Sgr A*), è un po’ più modesto, con circa quattro milioni di masse solari.
Gli astrofisici hanno studiato Sgr A* per sapere di più su di esso, incluso il suo età. Dicono che si è formato circa nove miliardi di anni fa.

I SMBH sono gli oggetti più affascinanti dell’Universo. Sono tanto massicci che la loro forza gravitazionale può catturare la luce. Sono circondati da un anello rotante di materiale chiamato disco di accrescimento che alimenta il buco. Quando si nutrono attivamente, sono chiamati nuclei galattici attivi (AGN). Gli AGN più luminosi vengono chiamati quasar e possono superare in luminosità intere galassie.
Come possono gli scienziati determinare l’età di questi oggetti enigmatici? Come possono scoprire quando si è formato il nostro buco nero, Sgr A*? Raccogliendo dati, mettendoli insieme e eseguendo simulazioni.
Questo sforzo è iniziato seriamente nell’aprile del 2017 quando il Telescope Event Horizon (EHT) ha osservato il buco nero al centro della galassia M87. Quella è stata la prima volta che abbiamo visto un’immagine di un buco nero, seguita poi nel 2022 quando l’EHT ha osservato Sgr A*.
Nuove ricerche pubblicate su Nature Astronomy si sono basate sulle osservazioni dell’EHT per determinare l’età e l’origine di Sgr A*. Il titolo è “Evidenza di una fusione passata del buco nero al centro galattico.” Gli autori sono Yihan Wang e Bing Zhang, entrambi astrofisici all’Università del Nevada, Las Vegas.
I buchi neri crescono in due modi. Accumulano materia nel tempo e si fondono. Gli astrofisici credono che ci voglia una fusione di galassie per formare un SMBH, e Sgr A* non fa eccezione. Probabilmente si è formato attraverso una fusione, anche se accumula anche materia.
Questa concezione artistica illustra un buco nero supermassivo (SMBH) al centro di una galassia giovane e ricca di stelle. I buchi neri crescono attraverso due processi: l’accrezione e le fusioni. Crediti immagine: NASA/JPL-Caltech
Sgr A* è insolito. Ruota rapidamente ed è disallineato rispetto alla Via Lattea. Questo è prova di una fusione passata, secondo Wang e Zhang, possibilmente con una galassia satellite ormai scomparsa chiamata Gaia-Enceladus.
“Il Telescope Event Horizon (EHT) ha fornito immagini dirette del SMBH Sgr A* al centro della Via Lattea, indicando che probabilmente ruota rapidamente con il suo asse di rotazione significativamente disallineato rispetto al momento angolare del piano galattico,” scrivono gli autori nel loro articolo.
I due ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer per modellare quale impatto avrebbe una fusione sul buco nero della Via Lattea. “Attraverso l’analisi di vari modelli di crescita degli SMBH, qui dimostriamo che le proprietà di rotazione dedotte di Sgr A* forniscono evidenza di una fusione passata di SMBH,” hanno scritto gli autori.
Il loro lavoro mostra che una fusione con un rapporto di massa di 4:1, con una configurazione orbitale altamente inclinata, può spiegare ciò che le osservazioni dell’EHT mostrano riguardo a Sgr A*. “Ispirati dalla fusione tra la Via Lattea e Gaia-Enceladus, che ha un rapporto di massa di 4:1 come dedotto dai dati di Gaia, abbiamo scoperto che una fusione maggiore 4:1 di SMBH con un’inclinazione dell’angolo di momento angolare binario di 145-180 gradi rispetto alla linea di vista (LOS) può replicare con successo le proprietà di rotazione misurate di Sgr A*,” spiegano gli autori nel loro lavoro.
Questa figura della ricerca mostra come una fusione di buchi neri possa creare un singolo buco nero più massiccio con una rotazione disallineata rispetto alla galassia ospite. Crediti immagine: Wang, Zhang 2024.
“Questa fusione è probabilmente avvenuta circa 9 miliardi di anni fa, dopo la fusione della Via Lattea con la galassia Gaia-Enceladus,” ha dichiarato Zhang, professore di fisica e astronomia all’UNLV e direttore fondatore del Nevada Centre for Astrophysics. “Questo evento non solo fornisce evidenza della teoria delle fusioni gerarchiche dei buchi neri ma offre anche spunti sulla storia dinamica della nostra galassia.”
Simulazione di Gaia-Enceladus in una fusione galattica con la Via Lattea che corrisponde ai dati di Gaia. I resti della fusione sono trovati in tutta la Via Lattea. Crediti immagine: ESA (impressione artistica e composizione); Koppelman, Villalobos e Helmi (simulazione)
“Questa scoperta apre la strada alla nostra comprensione di come i buchi neri supermassivi crescano ed evolvano,” ha dichiarato l’autore principale Wang in un comunicato stampa. “L’alta rotazione disallineata di Sgr A* indica che potrebbe essersi fuso con un altro buco nero, alterando drammaticamente la sua ampiezza e orientamento di rotazione.”
“Questo evento di fusione nella nostra galassia fornisce un potenziale supporto osservativo per la teoria delle fusioni gerarchiche di buchi neri nella formazione e crescita degli SMBH,” scrivono gli autori nelle loro conclusioni.
Quando le galassie si fondono, anche i loro buchi neri centrali si fondono. Anche se questo è stato principalmente teorico, gli osservatori di onde gravitazionali stanno rilevando un numero crescente di fusioni di buchi neri. Tuttavia, a causa della gamma di frequenze dei nostri osservatori, hanno rilevato solo fusioni di buchi neri di massa stellare. Le fusioni di SMBH produrrebbero frequenze di onde gravitazionali molto più basse, che sono al di fuori della portata di rivelatori come LIGO/Virgo/KAGRA. I rivelatori del sistema sono troppo vicini tra loro per rilevare le frequenze più basse.
Gli autori fanno anche riferimento ai tassi di fusione di SMBH determinati in altre simulazioni come le Millennium Simulations, che suggeriscono che potrebbero esserci centinaia o migliaia ogni anno nell’Universo osservabile. “Il tasso di fusione dedotto, coerente con le previsioni teoriche, suggerisce un promettente tasso di rilevamento delle fusioni di SMBH per i rivelatori di onde gravitazionali spaziali previsti per operare negli anni ’30.”
Ci sono piani per costruire strutture che possano rilevare queste frequenze di fusione di SMBH più basse. L’ESA e la NASA stanno pianificando una missione chiamata LISA (Laser Interferometer Space Antenna) che può rilevare queste onde. LISA sarà composta da tre veicoli spaziali che lavoreranno insieme come un interferometro. Ogni veicolo spaziale sarà lungo 2,5 milioni di km.
Impressione artistica di LISA, il Laser Interferometer Space Antenna. Crediti immagine: NASA
Gli SMBH sono tra gli oggetti più misteriosi dell’Universo e sono difficili da studiare. Tuttavia, anche in assenza di prove di onde gravitazionali delle fusioni di SMBH, questa ricerca aiuta a preparare il terreno per approfondire la nostra comprensione di queste fusioni quando si verificheranno.