Un gigante addormentato sorprende gli scienziati di Gaia
Studiando la ricca mole di dati della missione Gaia dell'ESA, gli scienziati hanno scoperto un "gigante addormentato". Un grande buco nero, con una massa di quasi 33 volte quella del Sole, si nasconde nella costellazione dell'Aquila, a meno di duemila anni luce dalla Terra. È la prima volta che un buco nero di origine stellare così grande viene rilevato all'interno della Via Lattea. Finora, buchi neri di questo tipo sono stati osservati solo in galassie molto lontane. La scoperta mette alla prova la nostra comprensione di come si sviluppano ed evolvono le stelle massicce.
La materia in un buco nero è così densa che nulla può sfuggire alla sua immensa attrazione gravitazionale, nemmeno la luce. La maggior parte dei buchi neri di massa stellare di cui siamo a conoscenza sta assorbendo materia da una stella compagna vicina. Il materiale catturato cade sull'oggetto collassato ad alta velocità, diventando estremamente caldo ed emettendo raggi X. Questi sistemi appartengono a una famiglia di oggetti celesti chiamati binarie a raggi X.
Quando un buco nero non ha una compagna abbastanza vicino a cui rubare materia, non genera alcuna luce ed è estremamente difficile da individuare. Questi buchi neri sono detti "dormienti".
Per prepararsi all'uscita del prossimo catalogo di Gaia, Data Release 4 (DR4), gli scienziati stanno controllando i movimenti di miliardi di stelle ed eseguendo test complessi per vedere se c'è qualcosa di anomalo. I moti delle stelle possono essere influenzati da eventuali compagni: quelli leggeri, come gli esopianeti; quelli più pesanti, come le stelle; o quelli molto pesanti, come i buchi neri. All'interno della collaborazione Gaia, team dedicati si occupano di indagare su eventuali casi "strani".
Uno di questi team era profondamente impegnato in questo lavoro, quando l'attenzione è caduta su una vecchia stella gigante nella costellazione dell'Aquila, a una distanza di 1.926 anni luce dalla Terra. Analizzando in dettaglio l'oscillazione nel moto della stella, hanno trovato una grande sorpresa. La stella era bloccata in un movimento orbitale con un buco nero dormiente dalla massa eccezionalmente elevata, circa 33 volte quella del Sole.
Questo è il terzo buco nero dormiente trovato con Gaia ed è stato giustamente chiamato «Gaia BH3». La sua scoperta è molto emozionante a causa della massa dell'oggetto. "Questo è il tipo di scoperta che fai una volta nella tua carriera di ricerca," esclama Pasquale Panuzzo del CNRS, Osservatorio di Parigi, in Francia, autore principale di questa ricerca. "Finora, buchi neri così grandi sono stati rilevati solo in galassie lontane dalla collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA, grazie alle osservazioni delle onde gravitazionali."
La massa media dei buchi neri di origine stellare conosciuti nella nostra galassia è circa 10 volte la massa del nostro Sole. Finora, il record di "peso" era detenuto da un buco nero in una binaria a raggi X nella costellazione del Cigno (CYG X-1), la cui massa è stimata essere circa 20 volte quella del Sole.
"È impressionante vedere lo straordinario impatto che Gaia sta avendo sull'astronomia e sull'astrofisica," osserva la Prof.ssa Carole Mundell, Direttrice di Scienza dell'ESA. "Le sue scoperte stanno andando ben oltre lo scopo originario della missione, che è quello di creare una mappa multidimensionale straordinariamente precisa di oltre un miliardo di stelle nella nostra Via Lattea."
Precisione senza pari
La straordinaria qualità dei dati di Gaia ha permesso agli scienziati di determinare la massa del buco nero con una precisione senza precedenti e fornire la prova più diretta dell'esistenza di buchi neri di questa massa.
Gli astronomi si trovano di fronte alla pressante questione di spiegare l'origine dei buchi neri grandi quanto Gaia BH3. La nostra comprensione attuale di come le stelle massicce evolvono e muoiono non spiega in modo immediato come questo tipo di buchi neri sia nato.
La maggior parte delle teorie prevede che, invecchiando, le stelle massicce perdano una parte considerevole del loro materiale attraverso potenti venti; alla fine, vengono in parte disperse nello spazio quando esplodono come supernove. Ciò che rimane del loro nucleo si contrae ulteriormente fino a diventare una stella di neutroni o un buco nero, a seconda della sua massa. Nuclei abbastanza grandi da diventare buchi neri di 30 volte la massa del nostro Sole sono molto difficili da spiegare.
Tuttavia, un indizio di questo enigma potrebbe trovarsi molto vicino a Gaia BH3.
Una compagna intrigante
La stella che orbita intorno a Gaia BH3 a circa 16 volte la distanza Sole-Terra è piuttosto rara: una vecchia stella gigante, che si è formata nei primi due miliardi di anni dopo il Big Bang, nel momento in cui la nostra galassia ha iniziato ad assemblarsi. Appartiene alla famiglia dell'alone stellare della nostra galassia e si sta muovendo nella direzione opposta alle stelle del disco galattico. La sua traiettoria indica che questa stella faceva probabilmente parte di una piccola galassia, o di un ammasso globulare, inghiottito dalla nostra galassia più di otto miliardi di anni fa.
La stella compagna ha pochissimi elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio, il che indica che anche la stella massiccia che è diventata Gaia BH3 potrebbe anche essere stata molto povera di elementi pesanti. Questo è notevole. Supporta, per la prima volta, la teoria secondo cui i buchi neri di grande massa osservati dagli esperimenti sulle onde gravitazionali sono stati prodotti dal collasso di stelle massicce primordiali povere di elementi pesanti. Queste stelle primitive potrebbero essersi evolute in modo diverso dalle stelle massicce che vediamo attualmente nella nostra galassia.
La composizione della stella compagna può anche far luce sul meccanismo di formazione di questo sorprendente sistema binario. "Quello che mi colpisce è che la composizione chimica della compagna è simile a quella che troviamo nelle vecchie stelle povere di metalli della galassia," spiega Elisabetta Caffau del CNRS, Osservatorio di Parigi, anche lei membro della collaborazione Gaia.
"Non ci sono prove che questa stella sia stata contaminata dal materiale espulso dall'esplosione della supernova della stella massiccia che è diventata BH3." Questo potrebbe suggerire che il buco nero abbia acquisito la sua compagna solo dopo la sua nascita, catturandola da un altro sistema.
Un gustoso antipasto
La scoperta di Gaia BH3 è solo l'inizio e resta ancora molto da indagare sulla sua natura sconcertante. Ora che la curiosità degli scienziati è stata stuzzicata, questo buco nero e la sua compagna saranno senza dubbio oggetto di molti altri studi approfonditi.
La collaborazione Gaia si è imbattuta in questo "gigante addormentato" mentre controllava i dati preliminari in vista della quarta uscita del catalogo Gaia. Data l'eccezionalità della scoperta, è stato deciso di annunciarla prima della pubblicazione ufficiale.
La prossima release di dati di Gaia promette di essere una miniera d'oro per lo studio dei sistemi binari e per la scoperta di altri buchi neri dormienti nella nostra galassia. "Abbiamo lavorato molto duramente per migliorare il modo in cui elaboriamo specifici set di dati rispetto alla precedente release di dati (DR3), quindi ci aspettiamo di scoprire molti più buchi neri nella DR4," conclude Berry Holl dell'Università di Ginevra, in Svizzera, membro della collaborazione Gaia.
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Note per i redattori
"Scoperta di un buco nero a massa solare 33 dormiente nell'astrometria Gaia pre-release" di Gaia Collaboration, P. Panuzzo et al. è stato pubblicato oggi sullala rivista Astronomy & Astrophysics (A&A).
Gaia è una missione europea, costruita e gestita dall'ESA. È stata approvata nel 2000 come missione 'cornerstone' dell'Agenzia Spaziale Europea nell'ambito del programma scientifico Horizon 2000 Plus dell'ESA, sostenuto da tutti gli Stati Membri dell'ESA. Gli Stati Membri svolgono anche un ruolo chiave nella parte scientifica della missione nell'ambito del Data Processing and Analysis Consortium (DPAC), incaricato di trasformare i dati grezzi in prodotti scientifici per i Gaia Data Releases, in collaborazione con l'ESA. Il DPAC riunisce più di 450 specialisti provenienti da tutta la comunità scientifica europea. Gaia è stata progettata e costruita da Astrium (ora Airbus Defence and Space), con un core team composto da Astrium Francia, Germania e Regno Unito. Il team industriale comprendeva 50 aziende provenienti da 15 Stati europei, insieme a imprese statunitensi. Il veicolo spaziale è stato lanciato da Arianespace il 19 dicembre 2013.
