Gli astronomi hanno prove solide dell’esistenza di buchi neri di massa stellare e buchi neri supermassivi. Tuttavia, le prove per i buchi neri intermedi (IMBH) sono più sfuggenti. La loro esistenza rimane ipotetica. Tuttavia, studio dopo studio, le evidenze per gli IMBH stanno accumulandosi. L’ultima proviene dall’ammasso globulare M15, dove una stella in rapido movimento suggerisce la presenza di qualcosa di massiccio. Potrebbe trattarsi di un elusive IMBH?
Gli IMBH rappresentano un ponte tra i buchi neri di massa stellare, che hanno fino a circa 100 masse solari, e i buchi neri supermassivi (SMBH), che hanno milioni o miliardi di masse solari. Anche se la loro esistenza non è ancora provata, molti astronomi si aspettano che un giorno verranno scoperti. Gli scienziati pensano che possano formarsi in tre modi diversi: dalla fusione di più buchi neri di massa stellare, dal collasso diretto di enormi nubi di gas nell’universo primordiale, o attraverso collisioni in ambienti stellari densi. Gli ammassi globulari sono luoghi privilegiati dove gli IMBH potrebbero formarsi, poiché la densità stellare è così alta nei loro nuclei. In Omega Centauri, il più grande ammasso globulare (GC) nella Via Lattea, le stime indicano che potrebbero esserci diverse migliaia di stelle per parsec cubo, una densità straordinaria di stelle. Nel nostro vicino solare, la densità stellare è solo di 0,004 stelle per parsec cubo.
Diverse ricerche hanno indicato l’esistenza di un IMBH in Omega Centauri, e nell’estate del 2024, gli astronomi hanno trovato ulteriori prove con il Telescopio Spaziale Hubble. Questo è Omega Centauri, il più grande e luminoso ammasso globulare che conosciamo nella Via Lattea. Un team internazionale di astronomi ha utilizzato più di 500 immagini del Telescopio Spaziale Hubble della NASA/ESA, spanning due decenni, per rilevare sette stelle in rapido movimento nella regione più interna di Omega Centauri. Queste stelle offrono nuove e convincenti evidenze per la presenza di un buco nero di massa intermedia. Ora, le prove suggeriscono che un altro ammasso globulare della Via Lattea, M15, possa anche ospitare un IMBH. Credito Immagine: ESA/Hubble & NASA, M. Häberle (MPIA)
Nuove ricerche mostrano che M15, un altro degli GC della Via Lattea, potrebbe anche ospitare un IMBH. Si basa su osservazioni di una stella fuggitiva ad alta velocità. La ricerca, intitolata “Una stella ad alta velocità recentemente espulsa da un buco nero di massa intermedia in M15,” è stata accettata per la pubblicazione nella National Science Review. Yang Huang, della Scuola di Astronomia e Scienze Spaziali, Università dell’Accademia Cinese delle Scienze, è l’autore principale. “L’esistenza di buchi neri di massa intermedia (IMBH) è cruciale per comprendere vari fenomeni astrofisici, eppure la loro esistenza rimane sfuggente, tranne per la rilevazione LIGO-Virgo,” scrivono gli autori. Si riferiscono a GW190521, il binario di onde gravitazionali più massiccio osservato. Era nel 2020 e ha creato un residuo di buco nero di 142 masse solari. Alcuni la definiscono la prima rilevazione di un IMBH.
“Segnaliamo la scoperta di una stella ad alta velocità J0731+3717, la cui traiettoria all’indietro circa 21 milioni di anni fa interseca quella dell’ammasso globulare M15 all’interno del raggio di marea dell’ammasso,” scrivono i ricercatori. Ipotesi che le interazioni gravitazionali con un IMBH in M15 siano responsabili dell’espulsione della stella. Questa figura mostra le orbite retrograde di J0731+3717 (freccia blu) e dell’ammasso globulare M15 (freccia magenta). La clessidra nera segna la posizione dell’incontro che ha espulso la stella 21 milioni di anni fa. Credito Immagine: Huang et al. 2024.
Il raggio di marea dell’ammasso è la distanza dal centro di un GC dove l’influenza gravitazionale del GC cede a quella della galassia circostante. Questa è una prova forte che la stella possa essere originata in M15. Tuttavia, non è l’unica evidenza dei ricercatori; la metallicità della stella suggerisce anche che provenga da M15. “Sia la metallicità [Fe/H] che il rapporto di abbondanza alfa-ferro [?/Fe] sono coerenti con quelli di M15,” scrivono Huang e i suoi colleghi.
I ricercatori hanno confrontato la metallicità e il rapporto alfa-ferro di M15 e della stella fuggitiva con stelle provenienti da APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment). APOGEE è un’indagine spettroscopica su larga scala di stelle nella Via Lattea. I suoi dati sono utilizzati per misurare le popolazioni stellari, la chimica delle stelle e la storia della formazione stellare nella nostra galassia, quindi costituisce un utile confronto per M15 e la stella fuggitiva.
Questa figura mostra il [Fe/H]–[?/Fe] per la stella fuggita e M15 rispetto alle stelle mirate da APOGEE. Credito Immagine: Huang et al. 2024.
“È estremamente improbabile che l’associazione di J0731+3717 e M15 sia puramente casuale, data la probabilità di associazione casuale, le somiglianze chimiche e di età,” spiegano gli autori.
Questa è una buona prova che la stella fuggitiva provenga da M15. Tuttavia, la metallicità non può dirci se un IMBH sia responsabile dell’espulsione della stella. Per questo, i ricercatori hanno esaminato la velocità e la traiettoria della stella. Hanno iniziato esaminando stelle iperveloci note nella Via Lattea.
“Per scoprire stelle ad alta velocità espulse dagli ammassi globulari, sono state eseguite integrazioni orbitali all’indietro per 934 stelle halo ad alta velocità (VGSR ? 400 km s?1) nel volume di ricerca entro 5 kpc dal Sole e 145 ammassi globulari galattici,” spiegano gli autori. Hanno tracciato le traiettorie retrograde delle stelle e degli ammassi a 250 milioni di anni fa. Poi, hanno calcolato la distanza più vicina per ciascuna coppia di stelle e GC.
“Tra le centomila coppie, solo J0731+3717 ha la distanza più vicina inferiore al raggio di marea di M15, rendendola una rara candidata di stella ad alta velocità espulsa dall’ammasso,” scrivono gli autori.
Ci sono altri modi in cui un GC può espellere una stella. Interazioni con altre stelle, un’esplosione di supernova, interazioni con una massiccia nube di gas, o persino avvicinarsi troppo al disco galattico della Via Lattea sono tutte cause potenziali. Ma nessuna di queste si adatta, secondo i ricercatori. “In sintesi, i suddetti meccanismi di espulsione alternativi non sono viabili per espellere J0731+3717 da M15,” concludono gli autori.
Escludendo spiegazioni alternative per l’espulsione della stella, sono rimasti con un IMBH come l’unica causa plausibile.
Come altri GC, M15 ha un’estrema densità stellare nel suo nucleo, una delle più alte di tutti gli GC conosciuti. Gli astronomi pensano che M15 abbia subito un processo chiamato collasso del nucleo, che ha creato il suo nucleo estremamente compatto pieno di stelle. Il nucleo di M15 è circa un milione di volte più denso del nostro vicino stellare. È così denso che anche i nostri telescopi più potenti faticano a risolvere le stelle individuali. In questo ambiente affollato, le stelle si prevede che collidano e si fondano frequentemente, e le interazioni tra tutti i tipi di oggetti stellari sono più probabili. Questo lo rende un’area privilegiata per le fusioni di buchi neri di massa stellare in IMBH.
Le prove per gli IMBH stanno accumulandosi, ma non c’è ancora un consenso diffuso sul fatto che la loro esistenza sia provata. Tuttavia, potremmo non dover aspettare a lungo affinché la comunità scientifica raduni prove convincenti. “Con l’aumento della potenza delle indagini in corso di Gaia e di altre indagini spettroscopiche su larga scala, ci aspettiamo di scoprire dozzine di casi all’interno del volume di 5 kpc e dieci volte di più all’interno di un volume di 10 kpc, il che dovrebbe fare luce sulla comprensione del percorso evolutivo dai buchi neri di massa stellare agli SMBH,” spiegano gli autori.
È persino possibile che il Telescopio Event Horizon o qualcosa di simile che lo succederà sarà in grado di immaginare un IMBH. Molto dovrebbe andare nel modo giusto affinché ciò accada, ma è una possibilità.
Per ora, possiamo osservare mentre i ricercatori raccolgono prove incrementali dell’esistenza degli IMBH e guardare mentre la storia si svolge.