Due buchi neri supermassicci scoperti al centro del quasar più vicino alla Terra

Utilizzando il Telescopio Spaziale Hubble, gli astronomi hanno scoperto due buchi neri supermassicci, uno più grande dell'altro, al centro del quasar più vicino alla Terra, noto come Markarian 231 ( Mrk 231).

La scoperta, pubblicata sulla rivista The Astrophysical Journal, suggerisce che questi sistemi binari potrebbero essere molto comuni nei nuclei galattici attivi essendo il risultato di violente fusioni tra galassie. La coppia genera una grande quantità di energia che rende il nucleo della galassia ospite tanto luminoso da eclissare la luce di miliardi di stelle.

A PROBABLE MILLI-PARSEC SUPERMASSIVE BINARY BLACK HOLE IN THE NEAREST QUASAR MRK 231 [abstract]

Supermassive binary black holes (BBHs) are unavoidable products of galaxy mergers and are expected to exist in the cores of many quasars. Great effort has been made during the past several decades to search for BBHs among quasars; however, observational evidence for BBHs remains elusive and ambiguous, which is difficult to reconcile with theoretical expectations. In this paper, we show that the distinct optical-to-UV spectrum of Mrk 231 can be well interpreted as emission from accretion flows onto a BBH, with a semimajor axis of ~590 AU and an orbital period of ~1.2 years. The flat optical and UV continua are mainly emitted from a circumbinary disk and a mini-disk around the secondary black hole (BH), respectively; and the observed sharp drop off and flux deficit at λ ~ 4000-2500 Å is due to a gap (or hole) opened by the secondary BH migrating within the circumbinary disk. If confirmed by future observations, this BBH will provide a unique laboratory to study the interplay between BBHs and accretion flows onto them. Our result also demonstrates a new method to find sub-parsec scale BBHs by searching for deficits in the optical-to-UV continuum among the spectra of quasars.

Markarian 231 - Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

Xinyu Dai, dell'University of Oklahoma, e Youjun Lu, del National Astronomical Observatories of China, Chinese Academy of Sciences, non hanno osservato direttamente i due buchi neri ma, dopo aver studiato la radiazione ultravioletta emessa da Mrk 231, hanno applicato un modello sviluppato da Lu allo spettro della galassia che ha permesso di prevederli.

Se al centro del quasar fosse stato presente un solo buco nero, l'intero disco di accrescimento circostante, costituito da gas caldo e polveri, avrebbe emesso una forte radiazione in ultravioletto. Invece, il bagliore ultravioletto diminuisce bruscamente verso il centro del sistema, come se il disco fosse in realtà a forma di ciambella. La migliore spiegazione per i dati rilevati, basata su modelli dinamici, suggerisce che la parte centrale del disco sia "scavata" dall'azione di due buchi neri orbitanti vorticosamente uno intorno all'altro come due pattinatori danzanti. Il secondo della coppia, quello più piccolo in orbita attorno al buco nero centrale, sembra avere un proprio mini-disco.

Grafico semplificato della radiazione emessa dal nucleo di Mrk 231, dove è visibile il calo in ultravioletto verso il centro del disco.
Credit: NASA, ESA, and P. Jeffries (STScI)

"Siamo estremamente entusiasti di questo risultato perché non solo dimostra l'esistenza di un buco nero binario in Mrk 231, ma apre la strada ad un nuovo modo di cercare sistematicamente buchi neri binari attraverso la natura della loro emissione di luce ultravioletta", ha spiegato Lu.
"La struttura del nostro universo, come ad esempio quella delle galassie giganti e degli ammassi di galassie, cresce attraverso la fusione di sistemi più piccoli in sistemi più grandi e i buchi neri binari sono una conseguenze naturale di questi processi", ha aggiunto Dai.

Anche i due buchi neri scoperti dal Lu e Dai, nel corso del tempo, si scontreranno e si fonderanno per formare un unico buco nero supermassiccio centrale.

Mrk 231, nota anche come UGC 8058, è stato scoperta nel 1969 e si trova a 600 milioni di anni luce di distanza dalla Terra.
Il buco nero centrale è stimato per avere una massa pari a 150 milioni di Soli, mentre il compagno è pari a 4 masse solari. I due compiono un'orbita uno attorno all'altro in 1,2 anni.
Si ritiene che il buco nero più piccolo sia ciò che resta di una precedente fusione tra un'altra galassia e Mrk 231, che ha trasformato quest'ultima in una " galassia starburst", cioè in una galassia in cui il tasso di formazione stellare è 100 volte maggiore di quello della nostra Via Lattea.