Le collisioni tra galassie sono eventi fondamentali nell’Universo. Si verificano quando due sistemi mescolano stelle in una danza cosmica. Questi eventi portano anche a spettacolari fusioni di buchi neri supermassivi. Il risultato è una galassia molto cambiata e un unico buco nero ultra-massivo.
Questi eventi colossali rappresentano una forza cruciale nell’evoluzione delle galassie. È attraverso tali fusioni che le galassie più piccole si uniscono per formare galassie sempre più grandi. Tali fusione sono in corso fin dai primordi del tempo cosmico. Le fusioni di galassie continuano anche oggi. La nostra Via Lattea continua a inghiottire galassie più piccole e collide con la galassia di Andromeda tra qualche miliardo di anni. Quando ciò accadrà, è possibile che i buchi neri supermassivi di entrambe le galassie si fondano.
Vista di Milkdromeda dalla Terra “poco dopo” la fusione galattica tra la Via Lattea e Andromeda, circa 3.85-3.9 miliardi di anni da ora. Credito: NASA, ESA, Z. Levay e R. van der Marel (STScI), T. Hallas e A. Mellinger.
Non vediamo l’intero processo dall’inizio alla fine poiché richiede milioni di anni per completarsi. Tuttavia, ciò non impedisce agli astronomi di cercare — e trovare — prove di collisioni tra galassie e buchi neri supermassivi. L’ultima scoperta ha utilizzato il Telescopio Spaziale Hubble (HST) per individuare tre “punti caldi” di luce visibile nel profondo di una coppia di galassie in collisione. Questi obiettivi si trovano relativamente vicini a noi, a circa 800 milioni di anni luce di distanza. Gli astronomi hanno seguito questa scoperta con osservazioni di Chandra e dati radio provenienti dal Karl G. Jansky Very Large Array.
In genere, le galassie con nuclei luminosi, chiamati “nuclei galattici attivi” (AGN in breve), si trovano molto lontano. Spesso vengono osservate in epoche cosmiche precedenti. La possibilità di studiare una galassia e una coppia di buchi neri supermassivi in collisione nell’Universo vicino e “moderno” rappresenta un ottimo momento per esaminare la meccanica di tale evento.
Rilevamento delle collisioni nei buchi neri supermassivi in fase incipiente
La scoperta di una futura collisione cosmica è avvenuta quando la Advanced Camera for Surveys di HST ha individuato tre picchi di diffrazione ottica nel cuore di una galassia collidente chiamata MCG-03-34-64. Due di questi “punti caldi” appaiono molto vicini tra loro, distanti solo circa 300 anni luce. Rivelano la presenza di gas ossigeno nel nucleo, ionizzato da qualcosa di molto energetico e i punti caldi hanno sorpreso gli astronomi. (Il terzo punto caldo non è ben compreso.) “Non ci aspettavamo di vedere qualcosa del genere,” ha affermato Anna Trindade Falcão del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian a Cambridge, Massachusetts. “Questa vista non è un evento comune nell’Universo vicino e ci ha fatto capire che c’è qualcos’altro che accade all’interno della galassia.”
L’immagine di HST della galassia MCG-03-34-064 in luce visibile. Due dei tre punti luminosi al nucleo sono sorgenti di luce e emissioni di raggi X da nuclei galattici attivi. Indicano due buchi neri supermassivi distanti circa 300 anni luce e che si stanno avvicinando. Credito immagine: NASA, ESA, Anna Trindade Falcão (CfA).
Falcão e i suoi colleghi hanno voluto sapere cosa stava causando quei punti luminosi. Così hanno utilizzato il Chandra X-ray Observatory per concentrarsi sull’azione. “Quando abbiamo osservato MCG-03-34-64 nella banda dei raggi X, abbiamo visto due potenti sorgenti di emissione ad alta energia coincidenti con i luminosi punti ottici visti con Hubble. Abbiamo messo insieme questi pezzi e concluso che probabilmente stavamo osservando due buchi neri supermassivi molto vicini,” ha detto Falcão.
Il team ha anche trovato osservazioni di questi oggetti in dati di telescopi radio archivistici. Quelle potenti emissioni radio hanno dimostrato che la coppia di buchi neri esiste e si sta avvicinando. “Quando si osserva luce brillante in ottico, raggi X e onde radio, molte cose possono essere escluse, lasciando la conclusione che possano essere spiegate solo come buchi neri vicini,” ha osservato Falcão. Mettendo insieme tutti i pezzi, si ottiene il quadro del duo AGN.
La collisione imminente
Questi buchi neri supermassivi centrali si scontreranno tra forse un cento milioni di anni. Ognuno è al centro di una singola galassia. Man mano che queste galassie si avvicinano, i buchi neri nei loro cuori inizieranno a interagire. Alla fine, si fonderanno in un evento potente, emettendo onde gravitazionali come parte del processo.
Questa illustrazione mostra la fusione di due buchi neri supermassivi e le onde gravitazionali che si propagano mentre i buchi neri spiraleggiano l’uno verso l’altro. Credito: LIGO/T. Pyle.
Gli astronomi suggeriscono (tramite simulazioni e osservazioni) che le fusioni di galassie con buchi neri supermassivi inneschino molta attività. Con il procedere delle collisioni, il gas interstellare fluisce verso i centri galattici. Viene anche compresso in altre aree e entrambe le attività innescano esplosioni di formazione stellare. Alcuni gas si accumulano anche su quei buchi neri supermassivi centrali, causando emissioni aumentate mentre il materiale spiraleggia attraverso il disco di accrescimento.
Queste fusioni avvengono continuamente nell’Universo. I modelli di evoluzione delle galassie, uniti a prove osservative, suggeriscono che molti AGN al cuore delle galassie subiscono fusioni. Le coppie di buchi neri supermassivi in collisione all’interno di quegli AGN suggeriscono anche che questi buchi neri crescano attraverso le fusioni.
Collisioni di buchi neri supermassivi e rilevamenti futuri
Comprendere la fusione di AGN vicini come quelli osservati in MCG-03-34-64 offre una finestra unica sugli stadi finali di quello che gli astronomi chiamano “coalescenza binaria di SMBH”. Tali eventi sono e continueranno a essere un modo importante per misurare gli effetti di queste fusioni. Offriranno un campo di studio ricco utilizzando osservatori sensibili alla luce su tutto lo spettro, così come futuri rilevatori di onde gravitazionali.
LISA osserverà un’onda gravitazionale di passaggio emessa a seguito della collisione di due buchi neri supermassivi misurando le piccole variazioni di distanza tra masse di prova in caduta libera all’interno di veicoli spaziali con il suo sistema di misurazione ad alta precisione. Credito: AEI/MM/exozet.
Questi rilevamenti richiederanno versioni avanzate del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), che ha effettuato le sue prime rilevazioni solo qualche anno fa. Le onde gravitazionali indotte dalle fusioni di buchi neri supermassivi saranno l’obiettivo di futuri strumenti come LISA (abbreviazione di Laser Interferometer Space Antenna). Questo dispiegherà tre rilevatori spaziali a milioni di miglia di distanza per catturare le onde gravitazionali a lungo raggio emesse quando colossi come quelli in MCG-03-34-64 si scontrano. Poiché queste fusioni si verificano in tutto l’Universo, rappresenterà un campo di studio ricco che contribuirà notevolmente alla nostra comprensione delle fusioni galattiche come parte dell’evoluzione cosmica.
Per ulteriori informazioni
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