I buchi neri supermassicci influenzano profondamente l’evoluzione delle galassie, riscaldando ed espellendo gas tramite potenti superventi. Un esempio notevole è la galassia “Tazza di Tè” (SDSSJ1430+1339), dove un quasar attivo ha generato un’enorme bolla di gas ionizzato.
Studi recenti, condotti con il MUSE del VLT, mostrano che questi venti trasportano elementi chimici nelle
regioni esterne, alterando la composizione della galassia. La scoperta dimostra il ruolo cruciale dei buchi
neri nel modellare la struttura e l’evoluzione dell’Universo.

Dentro ad un buco nero: is there anybody in there?

L’estremo interesse e fascino che suscitano i buchi neri è dovuto a tutto quello che accade, o dovrebbe accadere, al loro interno: uno spazio difficilmente accessibile per l’a­strofisica osservativa che si occu­pa di raccogliere i dati dalla luce proveniente dagli oggetti celesti. Nonostante ciò non può ricevere in­formazioni su tutto ciò che accade all’interno dell’orizzonte degli eventi, il limite spaziale calcolato da Karl Schwarzschild nel 1916, definito come il raggio che non può essere attraversato da niente e nessuno che si trovi all’interno di un buco nero, e quindi neanche dai fotoni di luce, nostro principale messaggero.
Questa caratteristica dei buchi neri ha dato origine a diverse congetture e speculazioni, più o meno compa­tibili con altre teorie scientifiche, ricamate ed arricchite da numerosi racconti di fantascienza. Per esem­pio: porte che conducono a universi paralleli, o cunicoli wormholes, vale a dire ‘buchi scavati da un verme dentro la mela’, i quali, unendo zone distanti dello spazio-tempo, ci permetterebbero di viaggiare in altri luoghi e tempi. In realtà queste idee sono del tutto estranee a quello che possiamo attualmente studiare mediante le osservazioni: tutto ciò che si trova al di là dell’orizzonte, cioè del raggio di Swartschild, resta per noi occulto, sebbene la teoria relativista continui a suggerirci i possibili scenari riguardo a ciò che potrebbe essere l’oltre.
L’astrofisica si occupa di studiare gli effetti che i buchi neri hanno sullo spazio circostante e sugli altri corpi celesti che si trovano sotto la loro influenza gravitazionale. Sono questi effetti che hanno permesso di passare dalla mera speculazione sulla loro esistenza, su cui lo stesso Einstein dubitava, ad avere prove inconfutabili e persino ad elaborare immagini dirette.

Un primo indizio nel quasar galattico

Una delle prime prove si ottenne negli anni sessanta con la scoperta dei quasar. I quasar sono oggetti, distribuiti in tutto il cosmo e consi­stono in fonti puntiformi di emissio­ne elettromagnetica, inizialmente interpretate come prodotte da una nuova classe di stelle molto energe­tiche, da cui il loro nome: QUASAR (QUASi-stellAR objects, sorgenti quasi-stellari).

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Tuttavia, quando si determinò la loro distanza, pari a miliardi di anni luce, si giunse alla conclusione che le fonti di energia capaci di produrre tali emissioni, osservabili dal nostro pianeta, non potevano essere semplici stelle ma piuttosto dovevano essere oggetti molto più potenti del nostro univer­so. Infine, il meccanismo di emis­sione dei quasar fu associato alla presenza di buchi neri supermas­sicci (SMBH Super Massive Black Hole), con masse che variano da milioni a miliardi di volte quella del Sole, i quali, localizzati al centro di quasi tutte le galassie1, accumulano una grande quantità di materia che cade al loro interno sotto forma di un disco rotante, alimentandolo. In questo disco di accrescimento, la materia viene riscaldata a tempera­ture così elevate da emettere parte della propria massa sotto forma di luce molto energetica, prima di ol­trepassare l’orizzonte degli eventi, in un ultimo grido di supplica prima di abbandonare il nostro universo os­servabile. Inoltre l’intensa gravità del buco nero supermassiccio genera temperature e pressioni estreme nel disco di accrescimento, provocando l’emissione di radiazioni intense e la comparsa di fenomeni estremi come i venti cosmici, flussi di gas e polvere cosmica espulsi a migliaia di chilometri al secondo dalle regio­ni galattiche interne. I venti cosmici sono generati dall’enorme produzio­ne energetica dei nuclei attivi e tur­bolenti delle galassie. Così gli SBMH, mentre divorano materia, allo stesso tempo riscaldano il gas circostante e lo espellono dalla galassia ospite per mezzo di venti densi e potenti.
Oggi i quasar non sono più consi­derati i paradigmi dell’universo più lontano ed estremo, poiché, grazie a osservatori spaziali come HST (Hub­ble Space Telescope) o il più recente JWST (James Webb Space Tele­scope), siamo riusciti a vedere fino all’epoca dell’universo in cui si stavano formando le prime galassie. D’altra parte i quasar re­stano la categoria di galassie capaci di emettere la maggiore quantità di energia mai prodotta nella storia dell’universo.
Attualmente siamo in grado di stu­diare con maggiore dettaglio ciò che si trova intorno ai buchi neri galat­tici, come la struttura della restante galassia ed il gas che la circonda, contribuendo a comprendere gli ef­fetti che un buco nero supermassic­cio attivo imprimono nell’evoluzione di una galassia.

Cosa c’è nella Tazza di Tè?

Tra i quasar più notevoli che pos­sono essere studiati in dettaglio c’è quello scoperto nel 2007 dai volontari del Galaxy Zoo – proget­to di Citizen Science che ha come obiettivo quello di aiutare la comu­nità astrofisica internazionale – sito nella galassia SDSSJ1430+1339, a 1.1 miliardi di anni luce dalla Terra.
La galassia SDSSJ1430+1339 è ca­ratterizzata dalla presenza di un nu­cleo attivo generato dal quasar, ed è circondata da una gigantesca bolla di gas caldo e ionizzato che mostra archi e filamenti: per somiglianza le è stato dato il nome di galassia Tazza da Tè.

Dalla sua scoperta, la Tazza da Tè è stata osservata da strumenti sempre più precisi, come l’HST o l’osservatorio a raggi X Chandra della NASA, in grado di confermare che la bolla interna ha un diametro di oltre 30.000 anni luce ed è composta da gas trascinato da superventi generati dalla pressione del disco di materia attorno al buco nero super­massiccio e dalla potente radiazio­ne emessa da quest’ultimo.
Questo quasar costituisce uno dei rari esempi in cui è possibile ana­lizzare in dettaglio l’interazione tra una galassia e il gas che la circonda, noto come gas circumgalattico, in genere molto difficile da studiare perché in grado di emettere pochis­sima radiazione. La sua densità di particelle è molto inferiore a quella del gas che compone la galassia stessa espulso dal supervento galat­tico. La Tazza di Tè rappresenta un esempio di come le galassie siano in grado di “gettare” materiale a distan­ze molto grandi verso lo spazio circo­stante e di regolare al contempo il modo in cui si formano le stelle nelle vicinanze del centro e nel resto della galassia. I buchi neri supermassicci sono, in un certo senso, un meccanismo di regolazione della formazione stellare.
Recentemente la galassia Tazza di Tè è stata studiata utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia a campo integrale (Integral field spectroscopy IFS), che permette di scomporre la luce in funzione della sua lunghezza d’onda, ana­lizzandone anche la posizione. La spettroscopia delle linee emesse dal gas ionizzato o assorbite dalle popolazioni stellari, consente di analizzare la loro velocità relativa e composizione chimica con cui si può disegnare mappe galattiche delle tracce. In particolare, lo studio è stato effettuato utilizzando dati ottenuti con lo strumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explo­rer), installato su uno dei telescopi dell’osservatorio VLT (Very Large Telescope) di Cerro Paranal, in Cile. La qualità del cielo in quella regione e la sensibilità dello strumento ren­dono il VLT-MUSE un’infrastruttura tecnologica eccellente, in grado di ri­levare e studiare in grande dettaglio il tenue gas ionizzato che avvolge una galassia attiva proprio come la Tazza di Tè.

L’analisi dei dati osservatovi di IFS é stata condotta da un team inter­nazionale, diretto da Montserrat Villar del Centro de Astrobiología (CAB INTA-CSIC, Madrid), ed ha portato alla realizzazione di una mappa bidimensionale delle abbondanze relative di ossigeno e azoto. Del team di ricerca fanno parte Sara Cazzoli ed Enrique Perez Montero, membri dell’Institu­to de Astrofísica de Andalusia (IAA-CSIC, Granada), ed altri membri dell’Academia Sinica (Taiwan) e del GRANTECAN (GRAn TElescopio de CA­narias). Lo studio trae conclusioni interessanti e innovative su come il quasar al centro della galassia inte­ragisca con il gas presente nell’am­biente circumgalattico mediante la produzione di un supervento, sug­gerendo inoltre come tali fenomeni estremi generati dall’attività dei buchi neri supermassicci possano essere responsabili dell’alterazione dell’evoluzione chimica dell’intera galassia.
“Il nostro studio mostra che l’azione di questo supervento modifica la compo­sizione chimica del gas mentre attra­versa la galassia e che il suo impatto si estende a distanze enormi“, afferma Montserrat Villar. “Se un fenomeno simile si verificasse nel cuore della nostra galassia, la Via Lattea, il super­vento risultante potrebbe arricchire con elementi pesanti un volume enorme di gas, arrivando persino al Sistema Sola­re“, precisa la ricercatrice del CAB.
Dai risultati sembra infatti che il gas dell’ambiente circumgalattico, la cui emissione di luce può essere misurata nella sua fase ionizzata grazie all’azione del quasar, mostra un pattern di rotazione molto simile a quello seguito dalle stelle nella galassia. Il pattern non è identico, perché il gas è soggetto anche a tur­bolenze ed altre interazioni causate dai superventi, ma la correlazione osservata è abbastanza chiara. La relazione tra il modo in cui si muovono le stelle nella galassia e il gas dell’ambiente circumgalattico suggerisce che la galassia si sia formata a partire dal gas circostan­te, con cui condivide ancora caratte­ristiche dinamiche, anche se quello che tecnicamente si chiama l’alone galattico non fa parte della galassia stessa.

Lo studio della composizione chimi­ca è importante perché l’abbondanza relativa di certi elementi come l’ossigeno offre un’indicazione sulla passata evoluzione stellare, giacché questo elemento può essere stato creato solo da generazioni prece­denti di stelle che lo hanno formato al loro interno e successivamente rilasciato nel mezzo interstellare per mezzo di superventi o esplosio­ni di supernova.
Secondo quest’ultimo lavoro sui dati di MUSE, l’arricchimento chi­mico nella Tazza di Tè, soprattutto ai bordi della bolla di gas, è simile a quello che si trova nel nucleo della galassia, il che indica che una parte considerevole degli stessi elementi è stata trasportata dai venti ge­nerati nel nucleo dall’interno vero l’esterno a distanze significative. A testimonianza di tale deduzione si nota come l’abbondanza di ossige­no nel nucleo è leggermente infe­riore a quella che dovrebbe avere, il che conferma che una parte dello stesso è stato spinto altrove. A ter­mine di paragone per dedurre quali dovrebbero essere invece le abbon­danze previste possiamo utilizza­re l’abbondanza relativa di azoto rispetto all’ossigeno, valore che rimane inalterato anche se parte del gas è trasferita in altro luogo. Allo stesso tempo, la quantità relativa di azoto rispetto all’ossigeno è un indicatore molto preciso della storia dell’evoluzione stellare, poiché l’os­sigeno è prodotto principalmente da stelle giovani e di breve durata, mentre l’azoto si mescola con il mezzo interstellare dopo la morte di stelle di massa intermedia, che vivono più a lungo. In altre parole, un valore elevato dell’abbondanza di azoto rispetto all’ossigeno è sino­nimo di gas molto antico e proces­sato, anche se manca la parte dei metalli trasferiti in altre zone, come nel caso della bolla enorme e lonta­na che si è formata per effetto della radiazione del nucleo attivo.
“Non é ancora chiaro se il cambiamen­to nelle abbondanze chimiche nelle regioni esterne sia stato causato dallo spostamento di elementi pesanti dalla regione centrale della galassia o da altri meccanismi indipendenti. Un’altra possibilità è che questo supervento abbia indotto la formazione di stelle in zone molto lontane dal nucleo galat­tico e che queste abbiano arricchito il mezzo circostante attraverso esplosio­ni di supernova. In ogni caso, questo quasar fornisce una chiara evidenza osservativa di come l’attività nucleare possa arricchire il gas a grande distan­za dal centro, forse anche oltre la stessa galassia“, sottolinea Villar.
Sara Cazzoli, ricercatrice dell’Insti­tuto de Astrofisica de Andalusia e coautrice dello studio, aggiun­ge: “Comprendere come i buchi neri supermassicci regolino l’evoluzione delle galassie è uno dei temi più attuali dell’astrofisica moderna. Il punto inte­ressante del nostro studio risiede nel fatto che esso fornisce prove dirette dell’impatto dei buchi neri sull’evoluzio­ne chimica della galassia.”
“Naturalmente questa ricerca si confi­gura come solo l’inizio di un processo di indagine che può riguardare molte altre galassie. Abbiamo infatti gli strumenti teorici e i dati necessari per indagare se fenomeni simili si siano verificati in di­verse epoche della storia dell’universo“, afferma Montserrat Villar, proiettan­do il futuro scenario di questa linea di ricerca.
In conclusione il lavoro di ricerca sulla Tazza di Tè stabilisce dunque una correlazione robusta ed evi­dente tra le proprietà del gas e delle stelle nel nucleo della galassia da una parte e quelle del gas dell’am­biente circumgalattico dall’altra. Una correlazione possibile grazie all’azione del buco nero supermas­siccio e del nucleo galattico attivo, il quale genera venti che trasportano energia ed elementi antichi e nuovi, che arricchiscono chimicamente l’ambiente oltre la galassia. Una delle probabili conseguenze potreb­be essere la formazione di stelle isolate che non apparterranno mai a nessuna galassia. Simili processi sono stati probabilmente molto più frequenti nell’universo primordiale, quando i buchi neri erano più attivi e c’era una maggiore formazione stellare.
Oggi conosciamo più in dettaglio tutti i processi menzionati grazie proprio a questa Tazza di Tè riscaldata da un buco nero, Certo, l’interno dell’oriz­zonte degli eventi rimane un mistero, ma abbiamo sempre più conoscen­ze riguardo a ciò che succede al suo esterno.

Bibliografia
Martín, M. V., Cobá, C. L., Cazzoli, S., Montero, E. P., & Lavers, A. C. (2024). AGN feedback can produce metal enri­chment on galaxy scales. Astronomy & Astrophysi­cs, 690, A397.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 273 VERSIONE CARTACEA