Cosa succede quando due buchi neri supermassicci si scontrano? La combinazione delle osservazioni di due future missioni dell’ESA, Athena e LISA, ci potrebbe permettere di studiare per la prima volta questi scontri cosmici e le loro misteriose conseguenze.
I buchi neri supermassicci
I buchi neri supermassicci, con masse che vanno da milioni a miliardi di soli, si trovano nel nucleo delle galassie più massicce dell’intero Universo. Non sappiamo esattamente come questi enormi oggetti estremamente densi abbiano preso forma, né ciò che li spinge a iniziare a divorare la materia circostante a velocità estremamente intense, irradiandosi attraverso lo spettro elettromagnetico e trasformando le loro galassie ospiti in “nuclei galattici attivi”.
Athena e LISA
Affrontare queste domande aperte nell’astrofisica moderna è tra gli obiettivi principali di due future missioni nel programma spaziale dell’ESA: Athena, l’Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, e LISA, Laser Interferometer Space Antenna. Attualmente nella fase di studio, entrambe le missioni sono previste per il lancio all’inizio del 2030.
“Athena e LISA sono entrambe missioni eccezionali destinate a fare scoperte in molte aree dell’astrofisica”, afferma Günther Hasinger, direttore delle scienze dell’ESA.
“Ma c’è un esperimento estremamente eccitante che potremmo realizzare solo se entrambe le missioni saranno operative contemporaneamente per almeno alcuni anni: portare il suono ai “film cosmici” osservando la fusione di buchi neri supermassicci sia nei raggi X e onde gravitazionali.
“Grazie a questa straordinaria opportunità di eseguire osservazioni senza precedenti su uno dei fenomeni più affascinanti del cosmo, la sinergia tra Athena e LISA aumenterebbe notevolmente il ritorno scientifico di entrambe le missioni, assicurando la leadership europea in un’area di ricerca nuova e chiave”.
Due missioni per sondare l’Universo estremo
Athena sarà il più grande osservatorio a raggi X mai costruito, indagando su alcuni dei fenomeni più caldi e più energetici del cosmo con accuratezza e profondità senza precedenti.
È progettato per rispondere a due domande fondamentali: come i buchi neri supermassicci al centro delle galassie si formano e si evolvono, e come la materia ordinaria si assembla, insieme alla materia oscura invisibile, per formare la “rete cosmica” che pervade l’Universo.
“Athena misurerà diverse centinaia di migliaia di buchi neri, da relativamente vicini a molto lontani, osservando l’emissione di raggi X dalla materia bollente a milioni di gradi nei loro dintorni”, afferma Matteo Guainazzi, scienziato di studio Athena all’ESA.
“Siamo particolarmente interessati ai buchi neri più distanti, quelli che si sono formati nei primi centinaia di milioni di anni della storia dell’Universo, e speriamo di riuscire finalmente a capire come si sono formati”.
La missione LISA
Nel frattempo, LISA sarà il primo osservatorio spaziale delle onde gravitazionali – le fluttuazioni nel tessuto dello spaziotempo prodotto dall’accelerazione di oggetti cosmici con campi gravitazionali molto forti, come coppie di buchi neri che si uniscono.
L’astronomia delle onde gravitazionali, inaugurata solo pochi anni fa, è attualmente limitata alle onde ad alta frequenza che possono essere sondate da esperimenti a terra come LIGO e Virgo. Questi esperimenti sono sensibili alle fusioni di buchi neri relativamente piccoli – da alcune volte a poche decine di volte più massicci del Sole.
LISA espanderà questi studi rilevando onde gravitazionali a bassa frequenza, come quelle rilasciate quando due buchi neri supermassicci si scontrano durante una fusione di galassie.
“LISA sarà la prima missione del suo genere, cercando principalmente le onde gravitazionali provenienti da buchi neri supermassicci che si fracassano l’una nell’altra”, spiega Paul McNamara, scienziato dello studio LISA presso l’ESA. “Questo è uno dei fenomeni più energetici che conosciamo, rilasciando più energia di quanta tutto l’Universo quiescente fa in qualsiasi momento. Se due buchi neri supermassicci si fondono da qualche parte nel cosmo, LISA lo vedrà.”
Buchi neri di massa stellare
I pochi eventi di onde gravitazionali rilevati da LIGO e Virgo tra il 2015 e il 2017 hanno tutti avuto origine da coppie di buchi neri di massa stellare, che sono noti per non irradiare alcuna luce sulla coalescenza. Poi, nell’agosto 2017, sono state scoperte onde gravitazionali provenienti da una fonte diversa – la fusione di due stelle di neutroni.
Questa volta, le onde gravitazionali sono state accompagnate da radiazioni attraverso lo spettro elettromagnetico, facilmente osservabili con una moltitudine di telescopi sulla Terra e nello spazio.
Con Athena e LISA insieme, gli scienziati saranno in grado di applicare per la prima volta l’astronomia multi-messenger ai buchi neri supermassicci.
Le simulazioni prevedono che le loro fusioni, a differenza di quelle delle loro controparti di massa stellare, emettano sia le onde gravitazionali sia le radiazioni. Queste ultime originano dal gas caldo e interstellare delle due galassie in collisione, mescolate dalla coppia di buchi neri quando cadono l’una verso l’altra.
Le onde gravitazionali emesse dai buchi neri
LISA rileverà le onde gravitazionali emesse dai buchi neri a spirale circa un mese prima della loro coalescenza finale, quando sono ancora separati da una distanza equivalente a diverse volte il loro raggio. Gli scienziati si aspettano che una frazione delle fusioni individuate da LISA, in particolare quelle a distanza di pochi miliardi di anni luce da noi, daranno origine a un segnale a raggi X che può essere visto da Athena.
“Quando LISA rileverà per la prima volta un segnale, non sapremo ancora da dove viene esattamente, perché LISA funziona più come un microfono che come un telescopio”, spiega Paul.
Tuttavia, poiché i buchi neri sono inspirati l’uno verso l’altro, l’ampiezza del loro segnale di onda gravitazionale aumenta. Questo, unito al movimento dei satelliti lungo le loro orbite, permetterà a LISA di migliorare gradualmente la localizzazione della sorgente nel cielo, fino al momento in cui i buchi neri finalmente si fonderanno.”
Alcuni giorni prima della fase finale della fusione, i dati dell’onda gravitazionale vincoleranno la posizione della sorgente a un fazzoletto di cielo che misura circa 10 gradi quadrati – circa 50 volte l’area della Luna piena.
Questa è ancora abbastanza grande, ma permetterebbe ad Athena di iniziare la scansione del cielo per cercare un segnale a raggi X da questo scontro titanico.
Un’indicazione molto più precisa
“Prendere il segnale a raggi X prima che i buchi neri diventino uno sarà molto impegnativo, ma siamo abbastanza fiduciosi di poter effettuare un rilevamento durante e dopo la fusione”, spiega Matteo.
“Potremmo vedere l’emergere di una nuova sorgente di raggi X e forse assistere alla nascita di un nucleo galattico attivo, con getti di particelle ad alta energia lanciati vicino alla velocità della luce sopra e oltre il buco nero appena formato.”
Quando i buchi neri supermassicci si fondono
Non abbiamo mai osservato la fusione di buchi neri supermassicci – non abbiamo ancora le strutture per tali osservazioni. Innanzitutto, abbiamo bisogno del LISA per rilevare le onde gravitazionali e dirci dove guardare nel cielo; quindi abbiamo bisogno di Athena per osservarlo con alta precisione nei raggi X per vedere come la potente collisione colpisce il gas che circonda i buchi neri. Possiamo usare la teoria e le simulazioni per prevedere cosa potrebbe accadere, ma dobbiamo riuscire a combinare queste due grandi missioni per scoprirlo.
