Una ricerca svela i legami tra i buchi neri supermassicci e l’evoluzione delle galassie
Negli ultimi decenni gli scienziati hanno scoperto che i buchi neri supermassicci, dotati di masse tra i milioni e i miliardi di volte superiori a quelle del nostro Sole, si nascondono al centro della maggior parte delle galassie, tra cui la Via Lattea. È sorprendente notare la presenza di forti connessioni tra la massa di questi buchi neri e quella delle stelle che si trovano nel rigonfiamento galattico centrale, un aspetto interessante in quanto tale rigonfiamento stellare si estende a distanze tra le 100 e le 1 000 volte al di là dell’influenza diretta esercitata dai buchi neri stessi. Finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, il progetto BiD4BEST si è concentrato su un modello popolare che descrive la crescita di un buco nero supermassiccio in tre fasi. Nella prima, esso si sviluppa rapidamente consumando gas in una galassia polverosa e ricca di gas dove ha luogo il processo di creazione delle stelle; successivamente, una volta diventato più massiccio, il buco nero emette potenti venti che possono arrestare la formazione stellare mediante la rimozione o il riscaldamento del gas, regolando la propria crescita e stabilendo relazioni con la galassia ospitante; infine, la galassia passa dal possedere un carattere polveroso e la capacità di emissione di luce infrarossa al configurarsi come un quasar luminoso, per poi svanire in una galassia a bassa formazione stellare. I ricercatori hanno raffrontato questo modello con i modelli di «orientamento», secondo i quali l’aspetto di un buco nero dipenderebbe dall’angolo di osservazione, soprattutto nel caso in cui sia presente molta polvere che blocca la vista.
Svelare le dinamiche celate dei nuclei galattici attivi
«Abbiamo catalogato campioni significativi di nuclei galattici attivi (NGA), ovvero buchi neri supermassicci che consumano attivamente materiale, fin dalla loro fase iniziale di crescita avvalendoci di osservazioni radio, infrarosse e a raggi X. Impiegando un’analisi avanzata basata sul metodo bayesiano su più lunghezze d’onda, abbiamo identificato NGA elusivi che neppure le indagini a raggi X più approfondite sarebbero riuscite a rilevare», evidenzia Francesco Shankar, il coordinatore del progetto. Il team ha applicato approcci ottimali di selezione degli NGA e algoritmi di adattamento dei modelli per identificare gli NGA oscurati nelle galassie ad alta formazione stellare. La ricerca svolta da BiD4BEST esercita implicazioni cruciali per le indagini di grandi dimensioni, contribuendo a determinare la presenza di NGA e a vincolare i modelli cosmologici di co-evoluzione di buchi neri e galassie. I ricercatori hanno analizzato le caratteristiche del feedback e l’energia associata ai getti degli NGA per identificare circa 1 200 NGA candidati in fase di feedback a diversi spostamenti verso il rosso. Avvalendosi dei dati ricavati da un’indagine con eROSITA, il team ha assemblato il più grande campione di campi a raggi X di NGA in fase di feedback di sempre, creando successivamente cubi di dati risolti a livello spaziale relativi alle proprietà delle galassie ospitanti.
Esplorare le fusioni galattiche e le dinamiche dei buchi neri
I ricercatori hanno impiegato le reti neurali convoluzionali per analizzare la frequenza di fusione delle galassie in varie immagini simulate. Utilizzando modelli semi-empirici e simulazioni idrodinamiche, gli studiosi hanno inoltre esaminato l’incidenza degli NGA in ammassi di galassie densamente popolati e in ambienti di campo più isolati. «Le simulazioni idrodinamiche ad alta risoluzione ci hanno permesso di esplorare la fisica dell’accrescimento dei buchi neri e i meccanismi di feedback, come i venti degli NGA. Questi modelli sono ormai di uso comune per la modellizzazione del feedback dei buchi neri nelle simulazioni in corso e in quelle future», dichiara Shankar. «I nuovi metodi che abbiamo concepito forniscono una funzione di massa dei buchi neri esaustiva per l’intero spettro della massa, il che risulta particolarmente rilevante per gli studi cosmologici, e offrono vincoli sull’esistenza dei buchi neri massicci nell’universo primordiale», conclude Shankar. I ricercatori di BiD4BEST hanno anche sviluppato un modello semi-empirico completo, chiamato DECODE, con il quale intendono prevedere in modo autoconsistente diverse osservabili chiave relative alle fusioni di galassie e buchi neri supermassicci, servendosene in qualità di prezioso strumento per le strutture attuali e future, tra cui LISA.
Parole chiave
BiD4BEST, galassia, buco nero supermassiccio, simulazioni idrodinamiche, nuclei galattici attivi, reti neurali convoluzionali
