Gaia BH1: il buco nero stellare più vicino

Per definizione i buchi neri sono difficili da osservare perché, in regioni piccolissime, si concentra una grande massa da cui nulla può sfuggire, compresa la luce. Tuttavia, i buchi neri sono oggetti astrofisici che abbiamo identificato e iniziato a studiare. Quelli al centro delle galassie, anche con miliardi di masse solari, sono quelli più facili da identificare perché sono responsabili dei nuclei galattici attivi (AGN) con potenti getti che emergono dalle loro regioni centrali. Poi ci sono i cosiddetti buchi neri stellari, con poche masse solari, che rappresentano lo stato finale di stelle molto massicce. Dovrebbero essercene circa 100 milioni nella Via Lattea, ma ne conosciamo appena poche dozzine perché sono in larga parte oggetti isolati e quiescenti, senza particolari attività che ne denuncino la presenza.

Difficili da trovare

Alcuni sono stati identificati grazie alle onde gravitazionali prodotte nel corso di una fusione, altri grazie all’emissione X in sistemi binari stretti. Alcuni buchi neri, infatti, sottraggono materia da una stella compagna e sono rilevabili per l’emissione X prodotta nel disco di accrescimento dal gas che precipita dopo essere stato scaldato a temperature elevatissime. Di questi binari a raggi X ne conosciamo una ventina mentre altri 50 sono in attesa di conferma.

Sono stati fatti pure tentativi per identificare buchi neri stellari quiescenti usando il metodo delle velocità radiali, andato alla ricerca di oscillazioni dovute all’effetto Doppler nelle righe spettrali della stella.

Negli ultimi anni sono state prima annunciate e poi smentite alcune scoperte con tale metodo, tranne quella del sistema VFTS 243 presentata a giugno 2022. Le velocità radiali forniscono solo parte delle informazioni sul moto stellare perciò possono non essere abbastanza robuste e facilmente confutabili con osservazioni di follow-up.

Un metodo alternativo consiste nel determinare la presenza di un compagno invisibile di massa stellare dal movimento esibito da una stella, affiancandolo ai dati di tipo spettroscopico.

L’aiuto di Gaia

Lo stesso gruppo che ha identificato VSTS 243, guidato da Kareem El-Badry, ha scoperto adesso quello che sembra essere il buco nero stellare più vicino, avvalendosi delle precise misure astrometriche ottenute dal satellite Gaia dell’Esa, complementari a quelle fornite dalla spettroscopia.

Gaia è progettato per misurazioni ultra precise della posizione stellare, abbastanza da rilevare il movimento di una stella intorno a un compagno invisibile, vale a dire un buco nero.

Questo tipo di sistema binario è tuttavia molto raro rispetto alla maggioranza di altri sistemi più ordinari, almeno centomila, ed è qui che la precisione di Gaia ha fatto la differenza.

Nello specifico è stata Gaia DR3 ha fare la differenza, infatti contiene dati orbitali di oltre 168mila sistemi binari che il gruppo di astronomi ha setacciato alla ricerca di potenziali candidati buchi neri stellari.

Applicando adeguati criteri di selezione, i ricercatori hanno identificato sei possibili candidati da sottoporre a studi più dettagliati per le necessarie verifiche mediante il metodo delle velocità radiali. Tale controllo incrociato ne ha fatti escludere quattro, ma ha permesso di identificare un caso molto convincente e un altro meritevole d’indagini aggiuntive.

Gaia BH1

Il candidato, catalogato come Gaia DR3 4373465352415301632, per brevità “Gaia BH1”, è quello che ha soddisfatto tutti i criteri per essere un sistema binario con buco nero stellare.  Gli astronomi hanno anche eseguito ulteriori osservazioni mirate verso questa stella in Ofiuco di magnitudine 13 con i telescopi Magellan Clay da 6,5 ​​m, Gemini-Nord da 8,1 m, Keck I da 10 m e l’ESO/MPG da 2,2 m.

Le osservazioni hanno confermato Gaia BH1 come sistema binario contenete un oggetto invisibile di circa 10 masse solari in orbita attorno a una stella molto simile al Sole, con periodo di 185,6 giorni. La distanza tra i due elementi del sistema binario è all’incirca quella media Terra-Sole. Che si tratti di un oggetto collassato è indubbio poiché, se fosse stata una stella, sarebbe stata ben visibile e più luminosa della compagna di taglia solare. Una stella di neutroni non può superare le 2,6 masse solari e non esistono altri oggetti astrofisici in grado di rendere conto delle osservazioni.  

Un candidato molto convincente

Questo rende Gaia BH1 un eccellente candidato buco nero di massa stellare.  Con una distanza di 1560 anni luce, è nettamente il buco nero più vicino alla Terra a circa metà la distanza del record precedente.

“Centinaia di ricercatori hanno lavorato per produrre i dati che abbiamo usato per trovare il buco nero Gaia BH1. Questa scoperta non appartiene solo a noi, ma alla collaborazione di Gaia”, ha dichiarato El-Badry.  “Ho cercato un sistema come Gaia BH1 negli ultimi quattro anni, provando tutti i tipi di metodi, ma nessuno di questi ha funzionato. È stato esaltante vedere questa ricerca finalmente dare i suoi frutti”, ha aggiunto.

Resta da capire come possa essersi formato un sistema simile. 10 masse solari implica un progenitore di massa ben maggiore a quella limite di circa 20. Ci sono tre scenari possibili: la fusione di buchi neri più piccoli, il collasso diretto di una stella di grande massa oppure che l’oggetto di 10 masse solari sia in realtà un sistema binario di buchi neri.

La prima possibilità considera un sistema multiplo in cui alcune stelle hanno formato buchi neri e stelle di neutroni, fondendosi in seguito per produrre un buco nero di 10 masse solari. In caso contrario non si spiega come mai la compagna di massa solare sia sopravvissuta così vicina a una compagna di grande massa collassata.

In termini di statistica, la vicinanza implica che dovrebbero esserci numerosi sistemi simili in tutta la galassia. Molta fiducia è riposta nel prossimo rilascio di Gaia DR4 atteso per il 2025.