Il JWST osserva per la prima volta come si alimenta un buco nero supermassiccio nella galassia NGC 4696

Un team di astronomi guidato da Julie Hlavacek-Larrondo, dell'Università di Montréal, ha usato il telescopio spaziale James Webb per osservare e ricostruire la dinamica di come un buco nero supermassiccio riesca a procurarsi il gas di cui si nutre. Le osservazioni sono state condotte sul nucleo di NGC 4696, la galassia gigante al centro dell'ammasso del Centauro (anche conosciuto come Abell 3526), a circa 145 milioni di anni luce dalla Terra. Il JWST ha fotografato, per la prima volta in maniera diretta, un filamento di gas che si getta letteralmente dentro il disco di accrescimento che alimenta il buco nero supermassiccio centrale. Lo studio, pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, risolve un enigma che gli astronomi si trascinavano da anni.

In pratica un buco nero supermassiccio, come quelli al centro delle galassie, quando è attivo trascina nel suo disco di accrescimento la materia intorno a lui. Vengono quindi prodotti dei getti altamente polarizzati generati dal suo forte campo magnetico che proiettano le particelle libere intorno al disco a un'energia quasi relativistica tale da scaldare il gas galattico circostante. Scaldandosi il gas si espande, frenando la sua caduta gravitazionale. Quindi il buco nero dovrebbe ad un certo punto rimanere senza più materia disponibile, perché il sistema di approvvigionamento si blocca a causa del riscaldamento prodotto. Molti buchi neri, però, continuano a nutrirsi per miliardi di anni senza mai restare a secco, e i dati di Webb spiegano finalmente perché. Il gas riscaldato, con il tempo, si raffredda di nuovo, si condensa in filamenti e ricade verso il centro, dando vita a un ciclo in equilibrio che si autoalimenta.

Cosa ha visto Webb nel cuore di NGC 4696: lunghi filamenti di gas

Gli astronomi hanno dovuto osservare nel dettaglio la regione centrale di una galassia in cui un buco nero supermassicio fosse attivo e il nucleo di NGC 4696 è un soggetto ideale per questo scopo. La galassia infatti è circondata da un'estesa nebulosa di filamenti di gas che si estendono per decine di migliaia di anni luce a temperature che vanno dal caldissimo plasma (decine di milioni di gradi centigradi) rilevabile solo nei raggi X fino al gas molecolare molto più freddo. Già con il telescopio Hubble era stata individuata, nella regione centrale, una caratteristica struttura a forma di "S" fatta di gas ionizzato, la prima mai osservata al centro di un ammasso di galassie.

Con lo strumento NIRSpec (uno spettrografo avanzato progettato per operare nella banda del vicino infrarosso, da 0,6 a 5,3 micron) del JWST il team di astronomi ha osservato quella regione per quasi 8 ore consecutive, arrivando a una risoluzione di appena 10 parsec (circa 30 anni luce), un livello di dettaglio che ha permesso di risolvere la dinamica del gas nel nucleo galattico.

Le mappe ottenute hanno rivelato che quella "S" individuata da Hubble è in realtà un disco di gas in rotazione attorno al buco nero, largo circa 800 anni luce, con materiale che ruota a una velocità fino a 600 km/s. L'aspetto che ha interessato gli scienziati più di tutto è stato, per la prima volta, il fatto che il telescopio Webb ha mostrato che il disco di accrescimento di NGC 4696 è fisicamente collegato a uno dei grandi filamenti di gas della galassia: si vede letteralmente il gas scorrere lungo il filamento e riversarsi nel disco di accrescimento che alimenta il buco nero.

I filamenti di gas freddo si formano perché il gas scaldato dai getti del buco nero che circonda il centro della galassia quando si raffredda diventa instabile e invece di raffreddarsi in modo uniforme dappertutto, collassa formando questi stretti e lunghi filamenti di gas fotografati dal JWST.

Il meccanismo di autoregolazione dei buchi neri supermassicci

Il punto chiave è stato risolto grazie alla capacità dello strumento NIRSpec di misurare per ogni singolo punto dell'immagine la velocità a cui si muove il gas e in che direzione. La tecnica si chiama spettroscopia a campo integrale (dall’inglese Integral Field Spectroscopy). In pratica si ottiene simultaneamente lo spettro luminoso di ogni punto di un'immagine bidimensionale, scomponendo la luce in tutte le sue lunghezze d'onda, punto per punto, e misurandone l’effetto Doppler. Grazie a questo gli astronomi hanno potuto rilevare che la velocità del gas cambia in modo continuo e coerente man mano che ci si sposta dal filamento verso il disco, cioè lungo tutto il percorso non ci sono salti o discontinuità. Questo è ciò che permette di dire che non si tratta di due strutture separate viste per caso una vicina all'altra, ma di un unico flusso fisico di gas che scorre dal filamento dentro al disco di accrescimento.

Il quadro che emerge è quello di un sistema capace di autoregolarsi. I getti del buco nero attivo scaldano il gas della galassia. Col tempo, però, parte di quel gas si raffredda, diventa instabile e collassa in filamenti, ricadendo verso il centro del buco nero. Mentre il gas precipita verso il centro, i campi magnetici della galassia contribuiscono a fargli perdere velocità di rotazione, incanalandolo proprio verso il nucleo del buco nero, dove va ad accumularsi nel disco rotante osservato dal JWST. Il gas a questo punto ritorna ad alimentare il disco di accrescimento del buco nero che accende nuovi getti e scaldano di nuovo il gas circostante. Il ciclo così ricomincia in maniera stabile.

Il meccanismo nel suo complesso può ripetersi per miliardi di anni, in linea di principio per tutta la vita della galassia e dell'ammasso che la ospita. Finché l'alone caldo attorno al centro della galassia continua a contenere gas (e negli ammassi come quello della Centaura, dove si trova NGC 4696, questa riserva è enorme), il ciclo può ripartire più e più volte, permettendo così al buco nero centrale delle galassie di continuare ad essere attivo e a non rimanere senza più materia disponibile da inghiottire.

Come si forma il disco di accrescimento di un buco nero

Il disco di accrescimento è la struttura chiave che rende visibile e osservabile l'attività di un buco nero altrimenti invisibile, ed è la struttura che permette agli astronomi, studiandone la rotazione e la velocità del gas al suo interno, di risalire alla massa del buco nero che lo genera.

Il gas e le polveri che finiscono nella sua sfera d'influenza gravitazionale possiedono quasi sempre una certa quantità di momento angolare ereditata dal moto generale del gas nella galassia. Per la conservazione del momento angolare questo materiale non può precipitare in linea retta verso il centro. Si dispone perciò in una struttura appiattita e rotante, somma di tutti i momenti angolari complessivi del gas, ovvero proprio il disco di accrescimento del buco nero.

Il gas nel disco di accrescimento ruota attorno al buco nero a velocità diverse a seconda della distanza, con gli strati più interni che girano più velocemente di quelli esterni. Questo crea un forte attrito viscoso tra strati adiacenti di gas che scorrono a velocità differenti. Il forte attrito converte energia di movimento in calore, e più il gas si avvicina al buco nero, più questo effetto si intensifica. La parte più interna del disco può arrivare a milioni di gradi ed emettere raggi X.

Il gas che spiraleggia nel disco di accrescimento diventa un plasma, cioè gas ionizzato, che genera dei fortissimi campi magnetici. In pratica si trasforma in una specie di gigantesca dinamo, con il gas ionizzato che forma una corrente circolare intorno al buco nero. Man mano che il gas ruota attorno al buco nero, questi campi magnetici vengono arrotolati e amplificati dalla rotazione stessa. Il risultato è che vicino al buco nero si forma una struttura di campo magnetico molto intenso orientata perpendicolarmente al disco.

Le linee di campo magnetico sono concentrate lungo l'asse di rotazione del disco (i due poli, sopra e sotto) e incanalano e accelerano le particelle ionizzate intorno al disco di accrescimento in due fasci stretti e opposti, anziché lasciarle disperdere in tutte le direzioni. Si formano così i getti (in inglese jets) del buco nero. I getti escono quasi sempre in coppia, uno per polo, perpendicolari al piano del disco. E’ la geometria del campo magnetico a dare loro quella forma collimata, capace di restare stretta e coerente ed estendersi anche per migliaia o milioni di anni luce.

Queste particelle sono proiettate a velocità prossime a quella della luce, perpendicolari al disco, e che fungono da riscaldatori del gas diffuso nell'alone della galassia. Quel gas riscaldato dai getti è lo stesso che, raffreddandosi di nuovo nel tempo, ricade in filamenti e chiude il ciclo di alimentazione che è stato studiato dagli astronomi nel nucleo della galassia NGC 4696.

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