Il meteo dei buchi neri: venti ultrarapidi nell'universo adolescente

ROMA\ aise\ - Fino a oggi, gli ultra-fast outflow (UFO) – venti ultra-veloci di gas ionizzato che emergono dai dintorni dei buchi neri supermassicci a velocità prossime a quella della luce – erano stati osservati oltre l'universo locale solo in una manciata di quasar la cui luce è amplificata da lenti gravitazionali. Un nuovo studio guidato dall’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics, riporta la scoperta dell'UFO più distante mai rilevato, in un quasar non amplificato da una lente gravitazionale: la sua radiazione ha viaggiato per quasi 12 miliardi di anni per raggiungere la Terra.
Il motore della scoperta è stato un'ambiziosa campagna osservativa: il programma Heritage WISSHFUL del satellite XMM-Newton, uno dei più estesi mai approvati per questo telescopio dell'ESA, con un totale di circa 600 ore di osservazione. A queste si sono aggiunte osservazioni con il satellite NuSTAR per un totale di circa 700 ore, effettuate in simultanea con XMM. Fino a oggi, ottenere dettagli spettrali così precisi per sorgenti così distanti, senza l'ausilio di lenti gravitazionali, era proibitivo per via degli enormi tempi di puntamento richiesti e della necessità di coordinare strumenti diversi su un'ampia banda di raggi X. In particolare, questa scoperta è stata resa possibile dallo spettro X a banda larga di più alta qualità mai ottenuto per questa tipologia di oggetti cosmici a quell'epoca.
Nello studio gli autori si sono concentrati sull'osservazione del quasar WISSH13, un nucleo galattico attivo che “ingurgita” gas e materia pari a 140 masse solari l'anno, superando addirittura la propria capacità teorica massima di accrescimento (detta “limite di Eddington”): in queste condizioni estreme, i ricercatori sono riusciti a quantificare quanta energia i venti nucleari immettono nella galassia ospite.
La novità principale non è solo la distanza record: nello spettro di WISSH13 – il quasar al centro dello studio – i ricercatori hanno individuato non uno, ma due venti distinti, con velocità diverse e una marcata variabilità temporale. Un risultato che dimostra come questi outflows siano strutture complesse e stratificate. Si tratta inoltre di uno degli UFO più potenti mai rilevati: ciascuna delle due componenti è in grado di espellere massa a un ritmo di circa 20 masse solari all'anno. Lo studio ha inoltre permesso di misurare la temperatura della corona del buco nero, risultata tra le più basse mai registrate in buchi neri supermassicci, una caratteristica potenzialmente collegata a un alto tasso di accrescimento e/o alla presenza di forti venti.
Lo studio presenta i primi risultati del programma WISSHFUL, un progetto osservativo dedicato ai quasar più luminosi dell'universo primordiale nel cosiddetto Mezzogiorno Cosmico – l'epoca compresa tra 10 e 12 miliardi di anni fa, ovvero tra 2 e 4 miliardi di anni dopo il Big Bang, quando l'universo produceva stelle e faceva crescere i buchi neri al ritmo più elevato della sua storia.
Il contesto scientifico è quello della coevoluzione tra buchi neri supermassicci e galassie: l'energia liberata dall'attività del buco nero può spazzare via il gas freddo della galassia, sopprimendo la formazione stellare e l’accrescimento sul buco nero stesso – un processo noto come AGN feedback. Studiarlo al Mezzogiorno Cosmico è essenziale per comprendere i meccanismi che hanno plasmato le galassie, inclusa la Via Lattea.
“Immaginate un uragano innescato da un buco nero distante miliardi di anni luce, così devastante da spazzare via le nubi cosmiche e impedire alla sua galassia di formare nuove stelle”, spiega Giorgio Lanzuisi, ricercatore dell'INAF e principal investigator del programma WISSHFUL. “Con questo studio abbiamo fatto una ‘radiografia’ di uno di questi giganteschi uragani – gas che sfreccia fino a 90.000 chilometri al secondo – cogliendolo nel periodo più turbolento dell'adolescenza dell'universo. Capire come funzionano queste tempeste è essenziale per spiegare perché il cosmo appare e funziona così come lo vediamo oggi”.
“Il gas che compone questi venti è molto caldo e altamente ionizzato, eppure non brilla, ma si comporta come un ‘fantasma’: la sua presenza si nota solo perché assorbe un po' della radiazione X emessa dal buco nero alle sue spalle”, aggiunge Laura Borrelli, studentessa di dottorato dell’Università di Bologna e co-autrice dell’articolo. “Per trovarli, si effettuano vere e proprie ricerche alla cieca (in inglese, blind search) sugli spettri. Confrontando i dati del 2024 con un'osservazione d'archivio del 2017, ci siamo resi conto che il vento ‘lento’ era sempre lì ad aspettarci, mentre quello a 0,3c (30% della velocità della luce) era del tutto nuovo. Insomma, i buchi neri non sono sistemi immobili, ma hanno un loro ‘meteo’ fatto di vere e proprie tempeste transitorie”. Una possibile spiegazione è che i due venti abbiano meccanismi di lancio diversi: uno più variabile, legato ai campi magnetici, e uno più stabile dovuto alla pressione di radiazione.
Lo studio dimostra che anche quando un buco nero molto grande (dell’ordine di un miliardo di masse solari) divora materia a tassi estremi (accrescimento super-Eddington), la percentuale di energia che converte e soffia via sotto forma di venti è simile a quella dei buchi neri a noi più vicini (meno massicci e che spesso accrescono meno). “La potenza cinetica del vento è fino al 10% della luminosità bolometrica, sufficiente a innescare feedback sulla galassia ospite”, conclude Lanzuisi. “Questo aggiunge un tassello cruciale per collegare la teoria dell'accrescimento estremo alla realtà osservativa del cosmo lontano”.
WISSH13 è solo il primo dei 15 target di WISSHFUL, uno dei programmi Heritage più ampi approvati da XMM-Newton, dai quali si attendono ulteriori risultati nei prossimi anni. Il programma WISSHFUL è guidato dall'INAF e vede la partecipazione di un larghissimo consorzio di ricercatori INAF in diverse sedi in Italia (Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna, Osservatorio Astronomico di Roma, Osservatorio Astronomico di Brera, Osservatorio di Arcetri, Osservatorio Astronomico di Trieste, Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali di Roma). Inoltre, la ricerca è supportata dall'INAF Large Program "DELUX" del programma di Ricerca Fondamentale dell'INAF. (aise)