Da Chandra X-ray e XMM-Newton la misurazione diretta della rotazione di un lontano buco nero

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Credit: NASA/CXC/Univ of Michigan/R.C.Reis et al; Optical: NASA/STSc

Gli astronomi hanno utilizzato l'osservatorio Chandra X-ray della NASA e il XMM-Newton dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) per rilevare la rotazione di un buco nero supermassiccio a sei miliardi di anni luce di distanza.
Questa misurazione diretta è un importante passo in avanti per comprendere l'evoluzione nel tempo di tali misteriosi oggetti astronomici.

I buchi neri sono caratterizzati solamente da due grandezze: massa e spin (rotazione).
Ma mentre siamo in grado di rilevare la loro massa in modo efficace da diverso tempo, determinare la rotazione è stato sempre molto più complesso.

Negli ultimi anni gli astronomi hanno escogitato alcuni metodi per calcolare lo spin di buchi neri a miliardi di anni luce di distanza da noi ma sempre molto laboriosi.

"Vogliamo essere in grado di determinare le rotazioni dei buchi neri in tutto l'Universo", ha detto Rubens Reis dell'Università del Michigan ad Ann Arbor, che ha guidato lo studio pubblicato online mercoledì scorso sulla rivista Nature

Reis e colleghi hanno determinato la rotazione di un buco nero supermassiccio che sta attirando molto gas circostante, producendo un quasar estremamente luminoso conosciuta come RX J1131-1231 (o più RX J1131). Lo possiamo ammirare nell'immagine composita in apertura: dove il rosa arriva dalle foto di Chandra, mentre il rosso, il verde e il blu dalle osservazioni di Hubble.

La fortuna è che il team ha potuto sfruttare la distorsione dello spazio-tempo prodotta dal campo gravitazionale di una galassia ellittica gigante lungo la linea di vista del quasar, che agisce come una lente gravitazionale, ingrandendo la luce del quasar. Questa rara opportunità permette di studiare la parte più interna del quasar, funzionando come un telescopio naturale e ingrandendo la luce della fonte.

"Grazie a questa lente gravitazionale, siamo stati in grado di ottenere informazioni molto dettagliate sullo spettro a raggi X, cioè, la quantità di raggi X osservati a diverse energie, da RX J1131," ha detto il co-autore Mark Reynolds anche del Michigan. "E questo a sua volta ci ha permesso di ottenere un valore molto preciso della rotazione del buco nero".

I raggi X vengono prodotti quando il disco di accrescimento vorticoso di gas e polveri che circonda il buco nero crea una nuvola di svariati gradi, o corona, in prossimità del buco nero.
I raggi X di questa corona riflettono sul bordo interno del disco di accrescimento e le forti forze gravitazionali vicino al buco nero, ne alterano lo spettro
Più grande è il cambiamento nello spettro e più il buco nero deve essere vicino al bordo interno del disco.

"Stimiamo che i raggi X provengono da una regione nel disco che si trova a solo circa tre volte il raggio dell'orizzonte degli eventi, il punto di non ritorno per la materia in caduta", ha detto Jon M. Miller del Michigan, un altro autore del documento "Il buco nero deve ruotare molto rapidamente per consentire al disco di sopravvivere in un piccolo raggio come questo".

Ricavare la rotazione di un buco nero è importante per capire come questi oggetti cambiano nel tempo.
I buchi neri che crescono principalmente da collisioni e fusioni tra galassie, dovrebbero accumulare materiale in un disco stabile che rifornisce il buco nero costantemente, portandolo a girare più rapidamente. Al contrario, se i buchi neri crescono attraverso tanti piccoli episodi di accrescimento, si accumulerà materiale in direzioni casuali, rendendo il buco nero più lento

Il buco nero in RX J1131 gira a oltre la metà della velocità della luce, suggerendo che questo buco nero, osservato ad un distanza di sei miliardi di anni luce, risale a circa 7,7 miliardi anni dopo il Big Bang, cresciuto attraverso fusioni, piuttosto che materiale attirato da varie direzioni.

Lo spin di un buco nero, misurato in un ampio intervallo di tempo cosmico, permette anche di comprendere se il buco nero si evolve con lo stesso tasso della galassia ospite.

Prima di questo studio, lo spin era stato calcolato per buchi neri distanti tra i 2,5 miliardi e i 4,7 miliardi di anni luce.