Una coppia di buchi neri supermassicci potrebbe aver formato quattro enormi cavità in un ammasso di galassie

A confronto l'immagine ottica e nei raggi X dell'ammasso di galassie RBS 797 (Immagine: NASA / STScl / M.Calzadilla | NASA / CXC / Università di Bologna / F. Ubertosi)

Potrebbero essere due buchi neri supermassicci uniti tra loro in un’orbita ravvicinata i responsabili di quattro enormi cavità, o bolle, osservate al centro di un ammasso di galassie da un gruppo di ricerca guidato da studiosi dell’Università di Bologna e dell’INAF. Lo studio – pubblicato su The Astrophysical Journal Letters – nasce da una serie di osservazioni del Chandra X-ray Observatory, il telescopio orbitale della NASA per l'osservazione del cielo nei raggi X.

Gli ammassi di galassie sono le più grandi strutture connesse dalla forza di gravità presenti nell’universo. Sono formate da gruppi di centinaia o anche migliaia di singole galassie, insieme ad enormi quantità di gas caldo e invisibile materia oscura. In particolare, il gas caldo che pervade gli ammassi, la cui massa è di gran lunga superiore a quella delle galassie al loro interno, è ben visibile ai raggi X catturati da Chandra.

L’ammasso di galassie oggetto della nuova ricerca – noto come RBS 797 – si trova a circa 3,9 miliardi di anni luce dal nostro pianeta: al suo interno gli studiosi hanno individuato due diverse coppie di cavità che si estendono a partire dalla zona centrale.

Cavità o bolle di questo tipo sono già state osservate in altri ammassi di galassie: gli scienziati ritengono che siano generate da eruzioni che nascono nei pressi di un buco nero supermassiccio al centro di queste enormi formazioni cosmiche. Nella sua fase attiva, il buco nero divora infatti il materiale circostante e in questo processo rilascia una grande quantità di energia, a volte sotto forma di getti di materia ad altissima velocità che creano così cavità in direzioni opposte all’interno del gas caldo intergalattico.

In questo caso però, le cavità osservate dagli studiosi sono quattro: due coppie tra loro perpendicolari, una in direzione est-ovest e una in direzione nord-sud. È la prima volta che un fenomeno di questo tipo viene rilevato.

L'ammasso di galassie RBS 797 osservato nei raggi X con in evidenza le due coppie di cavità, o bolle, in direzione est-ovest e nord-sud (Immagine: NASA / CXC / Università di Bologna / F. Ubertosi)

“Abbiamo una buona idea della possibile origine di una coppia di queste cavità”, spiega Francesco Ubertosi, dottorando dell’Università di Bologna e associato INAF, primo autore dello studio. “Ma come si può spiegare la presenza di due coppie di cavità equidistanti tra loro all’interno di un ammasso di galassie?”

La prima di queste due coppie di cavità, o bolle, nel gas caldo dell’ammasso RBS 797, quella in direzione est-ovest, era già stata individuata da un precedente studio, ma la seconda, quella in direzione nord-sud, è una novità. Per scoprirla, gli studiosi hanno ricostruito un’immagine che utilizza i dati rilevati in quasi cinque giorni di osservazioni del telescopio Chandra. La conferma viene anche da osservazioni realizzate dal radiotelescopio Very Large Array, che hanno individuato emissioni radio sovrapponibili alle enormi cavità presenti in RBS 797.

Una possibile spiegazione di questo fenomeno, fino ad oggi mai osservato, è la presenza all’interno dell’ammasso di galassie di due buchi neri supermassicci che, quasi in contemporanea, hanno espulso getti di materia in direzioni tra loro perpendicolari.

“L’ipotesi che ci sembra più probabile è che queste due coppie di cavità siano state generate dall’azione di due buchi neri supermassicci”, conferma Myriam Gitti, professoressa dell’Università di Bologna e associata INAF, coautrice dello studio. “Pensiamo sia possibile che due buchi neri supermassicci formino dei sistemi binari, ma è estremamente raro che entrambi vengano osservati in una fase attiva: in questo senso la scoperta di due nuclei galattici ravvicinati ed entrambi attivi è davvero straordinaria”.

A confronto l'immagine nei raggi X e nelle onde radio dell'ammasso di galassie RBS 797 (Immagine: NASA / CXC / Università di Bologna / F. Ubertosi | NSF / NRAO / ALMA)

Alcune osservazioni radio realizzate dallo European VLBI Network (EVN), un consorzio formato dai maggiori istituti europei di radioastronomia, aveva già individuato in passato nell’ammasso RBS 797 due fonti radio separate tra loro da circa 250 anni luce. Se entrambe queste fonti fossero buchi neri supermassicci si tratterebbe di una delle coppie di buchi neri più ravvicinati tra loro mai rilevata. In questo caso, i due buchi neri continuerebbero a orbitare avvicinandosi sempre più uno all’altro, generando grandi quantità di onde gravitazionali fino ad arrivare alla fusione.

C’è però anche un’altra possibile spiegazione per le due coppie di cavità osservate al centro dell’ammasso RBS 797: un singolo buco nero supermassiccio i cui getti di materia in qualche modo cambiano direzione piuttosto rapidamente. Dalle osservazioni di Chandra la differenza di età tra le due coppie di cavità, da quella in direzione est-ovest a quella nord-sud, è infatti di meno di 10 milioni di anni.

“Se emergesse che queste quattro cavità, o bolle, sono generate da un unico buco nero supermassiccio, dovremo allora ricostruire la storia della sua attività”, dice Fabrizio Brighenti, professore dell’Università di Bologna e coautore dello studio. “Gli indizi chiave da considerare sono la rapidità del cambiamento di direzione dei getti di materia e se questa sia collegata all’ambiente dell’ammasso di galassie oppure alla fisica del buco nero stesso, o a una combinazione di entrambi gli elementi”.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal Letters con il titolo “The deepest Chandra view of RBS 797: evidence for two pairs of equidistant X-ray cavities”. Per l’Università di Bologna, dal Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi”, hanno partecipato Francesco Ubertosi, Myriam Gitti (entrambi affiliati INAF) e Fabrizio Brighenti. Per l’INAF - Istituto Nazionale di Astrofisica hanno partecipato inoltre Gianfranco Brunetti, Alessandro Ignesti, Massimo Gaspari, Stefano Ettori, Luigina Feretti.