Un buco nero stellare di grande massa è stato scoperto dai dati preliminari del satellite Gaia, da un team internazionale guidato da astronomi dell’Università di Ginevra.
Un team di scienziati, tra cui astronomi dell’Università di Ginevra, ha scoperto un gigantesco buco nero "dormiente" esaminando i preziosi dati della missione Gaia dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA). Con una massa quasi 33 volte superiore a quella del Sole, questo "mostro" si nascondeva a meno di 2.000 anni luce dalla Terra, nella costellazione dell’Aquila. È il primo buco nero di origine stellare di queste dimensioni a essere individuato così vicino alla Terra. Questa scoperta, pubblicata sulla rivista Astronomy and Astrophysics, mette in discussione la nostra comprensione dell’evoluzione delle stelle massicce.
La materia contenuta in un buco nero è così densa che nulla può sfuggire alla sua immensa attrazione gravitazionale, nemmeno la luce (da qui il nome buco nero). La stragrande maggioranza dei buchi neri di massa stellare di cui siamo a conoscenza assorbe la materia di una compagna stellare vicina. La materia catturata cade ad alta velocità sul buco nero, diventando estremamente calda e liberando raggi X. Questi sistemi appartengono a una famiglia di oggetti celesti noti come "binarie a raggi X".
Quando il compagno del buco nero non è abbastanza vicino da spargere materia sull’oggetto compatto, non viene emessa luce o energia, rendendo il buco nero estremamente difficile da rilevare. Un buco nero così "silenzioso" è detto "dormiente". La sua presenza, tuttavia, induce un movimento nella sua compagna orbitante, che potrebbe essere rilevato da uno strumento astrometrico altamente sensibile, come la sonda spaziale Gaia.
Una svolta grazie all’incredibile precisione di Gaia
L’obiettivo della missione Gaia è misurare la distanza di oltre due miliardi di stelle osservando il loro movimento nel cielo con la massima precisione. Per prepararsi alla pubblicazione del prossimo catalogo Gaia, Gaia Data Release 4 (DR4), gli scienziati della collaborazione Gaia stanno effettuando calcoli e test approfonditi per verificare se qualcosa è fuori dal comune. Sono stati istituiti team specializzati per studiare i casi fuori dall’ordinario e creare prodotti di dati derivati.
Uno di questi team è stato fondato nel 2020 da Laurent Eyer, docente senior e ricercatore presso il Dipartimento di Astronomia della Facoltà di Scienze dell’Università di Ginevra, e Tsevi Mazeh, ricercatore presso l’Università di Tel Aviv, entrambi co-autori dello studio. Guidato da Berry Holl, assistente scientifico presso il Dipartimento di Astronomia dell’Università di Ginevra e anch’egli coautore, la sua missione è quella di convalidare meticolosamente i risultati ottenuti per le stelle non solitarie con moti estremi, per verificare l’integrità dei potenziali buchi neri e per evitare la pubblicazione di evidenti "false rilevazioni".
L’attenzione del team si è concentrata su una vecchia stella gigante situata a 1926 anni luce dalla Terra, nella costellazione dell’Aquila. Analizzando in dettaglio l’oscillazione della traiettoria della stella, il team ha avuto una grande sorpresa: la stella stava subendo un movimento orbitale indotto da un buco nero dormiente di massa eccezionale, circa 33 volte quella del Sole. Questo è il terzo buco nero dormiente scoperto con Gaia ed è stato giustamente chiamato Gaia BH3. La qualità degli ultimi dati prodotti dal consorzio è migliorata a tal punto che ci aspettiamo di pubblicare un gran numero di buchi neri autentici nel catalogo DR4", afferma entusiasta Berry Holl.
Un record per la nostra Galassia
La scoperta di Gaia BH3 è molto interessante per la sua massa. Finora, buchi neri di questa massa erano stati rilevati solo in galassie lontane, grazie alle osservazioni delle onde gravitazionali effettuate dal consorzio LIGO/Virgo. La massa tipica dei buchi neri di origine stellare conosciuti nella nostra galassia è circa 10 volte la massa del nostro Sole. Finora il record era detenuto da un buco nero in una binaria a raggi X nella costellazione di Cygnus (Cyg X-1), con una massa stimata di circa 20 volte quella del Sole.
Gli astronomi devono ora affrontare la sfida di spiegare l’origine dei buchi neri delle dimensioni di Gaia BH3. Le attuali conoscenze sull’evoluzione delle stelle massicce non spiegano come siano nati questi tipi di buchi neri. La maggior parte delle teorie prevede che, invecchiando, le stelle massicce disperdano una quantità significativa di materia attraverso potenti venti; alla fine esplodono sotto forma di supernova, lasciandosi dietro una stella di neutroni o un buco nero se il nucleo era sufficientemente massiccio al momento dell’esplosione.
Tuttavia, la formazione di buchi neri con una massa pari o superiore a 30 volte quella del Sole rappresenta una vera sfida per gli attuali modelli evolutivi. La scoperta di Gaia BH3 nella nostra galassia rappresenta quindi una prima opportunità unica per studiare l’ambiente in cui risiedono questi buchi neri stellari sorprendentemente massicci e per comprenderne l’origine", spiega Nami Mowlavi, ricercatrice presso il Dipartimento di Astronomia della Facoltà di Scienze dell’Università di Ginevra, membro del team e coautrice dell’articolo.
Un compagno intrigante
Con un’orbita pari a circa 16 volte la distanza tra il Sole e la Terra, la stella compagna di Gaia, BH3, è piuttosto insolita: una vecchia stella gigante nell’alone stellare galattico, che si muove in direzione opposta rispetto alle stelle del disco galattico. La sua traiettoria indica che questa stella faceva probabilmente parte di una piccola galassia accretata dalla Via Lattea più di 8 miliardi di anni fa. Potrebbe anche provenire da un antico ammasso globulare oggi disperso. La stella contiene pochissimi elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio, il che indica che il progenitore di Gaia BH3 potrebbe essere una stella massiccia, anch’essa molto povera di elementi pesanti.
Questa scoperta è notevole. Supporta, per la prima volta, l’idea che i buchi neri di grande massa osservati dai rilevamenti di onde gravitazionali siano stati prodotti dal collasso di stelle massive primitive povere di elementi pesanti. Queste stelle potrebbero evolvere in modo diverso da quelle che osserviamo nel disco galattico e nelle vicinanze del Sole. Potrebbero conservare la maggior parte della loro massa fino alla fine della loro evoluzione e, una volta esaurito il combustibile nucleare nel loro nucleo, collassare lasciando nel cielo buchi neri di grande massa.
Un appetitoso antipasto
La scoperta di Gaia BH3 è solo l’inizio e c’è ancora molto da scoprire sulla sua sconcertante natura. La collaborazione Gaia ha trovato questo tesoro convalidando i dati preliminari di Gaia. Questa scoperta è così eccezionale che il team ha deciso di annunciarla senza attendere la prossima pubblicazione ufficiale dei dati, prevista non prima della fine del 2025. Sono estremamente felice di poter condividere questa sorprendente scoperta con il mondo intero", afferma Laurent Eyer. Ora che la curiosità degli scienziati è stata stuzzicata, questo buco nero e il suo compagno saranno senza dubbio oggetto di molti studi approfonditi in futuro.
