Gli eventi di fusione delle galassie sono uno dei meccanismi fondamentali che regolano la crescita delle galassie e l’evoluzione dei buchi neri supermassicci. Quando avvengono, i buchi neri al centro delle galassie si fondono, creando uno dei fenomeni più energetici possibili nell’universo: una quantità enorme di energia viene rilasciata sotto forma di onde gravitazionali, le quali sono capaci di generare delle increspature nel “tessuto” dello spaziotempo. Le previsioni teoriche mostrano che in alcuni casi particolari, a seconda dell’orientamento reciproco degli assi di rotazione dei buchi neri e del rapporto delle loro masse, la fusione di due buchi neri può produrre onde gravitazionali non isotropiche, generando un effetto di rinculo. Grazie a questo effetto il nuovo buco nero formatosi dalla fusione dei due buchi neri di partenza può essere “calciato” fuori dal centro della galassia stessa. Fino ad oggi però non esistevano osservazioni dettagliate che potessero confermare o confutare queste previsioni. “Effettuare osservazioni ad alta risoluzione sia in ottico che in radio era fondamentale per capire se effettivamente il buco nero super massiccio di 3C186 fosse stato calciato fuori dalla galassia stessa: i nuovi studi confermano questo scenario, permettendoci di capire meglio come evolvono i buchi neri supermassicci e le loro galassie ospiti”, dice Castignani. “È infatti ancora dibattuta la possibilità che due buchi neri supermassicci possano avvicinarsi ad una distanza tale da produrre onde gravitazionali tanto intense: l’alternativa è che raggiungano invece un’orbita stabile senza mai fondersi”.

Il buco nero supermassiccio del quasar 3C 186 era un ottimo candidato per tentare di rispondere a questi interrogativi, dato che la sua posizione appare spostata rispetto al centro della galassia in cui si trova: un fenomeno che potrebbe essere spiegato dalla spinta delle onde gravitazionali. Per indagarlo, gli studiosi hanno utilizzato nuove osservazioni, sia ottiche che nelle onde radio, con livelli di risoluzione e sensibilità senza precedenti. Grazie alle immagini ottenute dal telescopio Hubble, è stato infatti possibile non solo confermare con grande accuratezza la posizione spostata del buco nero rispetto al centro della sua galassia, ma anche stabilire che la galassia ospite di 3C 186 è il prodotto di una fusione di galassie avvenuta in passato, circa un miliardo di anni prima. I risultati sono presentati nel primo dei due paper prodotti, pubblicato su The Astrophysical Journal. Nel secondo studio, invece, pubblicato su Astronomy & Astrophysics Letters, i ricercatori hanno analizzato 3C 186 con le osservazioni del radiotelescopio Northern Extended Millimeter Array (NOEMA), che si trova sul Plateau de Bure, nelle Alpi francesi. I risultati ottenuti hanno permesso di confermare per la prima volta tramite osservazioni radio ad alta risoluzione che la posizione spostata del buco nero è con alta probabilità dovuta alla spinta delle onde gravitazionali generate dall’evento di fusione di due buchi neri.

“Queste osservazioni interferometriche erano fondamentali per testare lo scenario dell’effetto rinculo generato dalle onde gravitazionali”, conferma Castignani. “Ci hanno infatti permesso di sondare sia la riserva di gas molecolare all’interno della galassia ospite, ovvero il carburante che permette la formazione delle stelle, sia l’emissione radio del quasar 3C186, la quale è alimentata dal materiale in prossimità del buco nero supermassiccio”. Grazie alle nuove osservazioni del radiotelescopio NOEMA gli studiosi hanno scoperto non solo che il gas molecolare della galassia è spostato, in proiezione, di ben 38.000 anni luce rispetto alla posizione del quasar 3C186 che ospita il buco nero super massiccio, ma anche che i due si muovono ad con una velocità relativa di 2.000 chilometri al secondo lungo la linea di vista. Conclusioni, queste, che supportano fortemente lo scenario secondo cui il buco nero supermassiccio di 3C 186 è stato espulso dal nucleo della galassia in seguito alla produzione di onde gravitazionali generate dalla fusione avvenuta tra due buchi neri.

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L’oggetto massiccio che si cela al centro della nostra galassia quindi è un buco nero. Già in passato gli scienziati avevano scoperto stelle che si muovevano intorno a un corpo invisibile, compatto e molto massiccio al centro della Via Lattea. Quelle osservazioni suggerivano che l’oggetto in questione, chiamato Sagittarius A, fosse un buco nero, e l’immagine resa pubblica oggi fornisce la prima prova visiva diretta a sostegno di questa ipotesi. Il buco nero, che si trova a circa 27 mila anni luce dalla Terra in direzione della costellazione del Sagittario, appare nel cielo con una dimensione pari a quella che avrebbe una ciambella sulla Luna. Per realizzarne l’immagine, il team ha creato il potente Event Horizon Telescope- EHT mettendo insieme otto osservatori radio-astronomici in tutto il mondo per creare un unico telescopio virtuale dalle dimensioni del pianeta Terra. “Anche se non possiamo vedere il buco nero stesso, perché non emette luce, il gas che brilla attorno ad esso possiede un aspetto distintivo- spiegano i ricercatori- una regione centrale scura, chiamata ‘ombra’ del buco nero, circondata da una struttura brillante a forma di anello”. La nuova immagine cattura la luce distorta dalla potente gravità del buco nero, che ha una massa pari a quattro milioni di volte quella del Sole. adattarci, consapevoli che ne varrà sempre la pena”, conclude il ministro.

Event Horizon Telescope- EHT ha osservato Sagittarius A per diverse notti nell’aprile 2017, raccogliendo dati per molte ore di seguito, in modo simile a quando si effettua un’esposizione lunga con una macchina fotografica. Cruciale per raggiungere questo risultato è stato il contributo di ALMA, l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, il più potente radiotelescopio esistente, che dal deserto di Atacama, in Cile, scruta il cosmo in banda radio a lunghezze d’onda millimetriche e submillimetriche. L’Italia partecipa ad ALMA attraverso l’ESO, lo European Southern Observatory, e ospita il nodo italiano del Centro regionale europeo ALMA presso la sede dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) di Bologna. La scoperta arriva dopo la prima immagine di un buco nero, quello al centro della galassia lontana M87, resa pubblica dalla Collaborazione EHT nel 2019. I due buchi neri appaiono straordinariamente simili, anche se quello nel cuore della nostra galassia è oltre mille volte più piccolo e meno massiccio rispetto a quello di M87. Ottenere il nuovo risultato è stato molto più difficile rispetto al precedente, anche se Sgr A* è molto più vicino a noi. Il team ha dovuto sviluppare nuovi sofisticati strumenti di analisi dati per tener conto del moto del gas intorno a Sagittarius A, che impiega pochi minuti a completare un’orbita attorno a questo buco nero. Il buco nero al centro della galassia M87 fotografato nel 2019 è molto più grande e il gas, che si muove alla stessa velocità (prossima a quella della luce) attorno a entrambi i buchi neri, impiega giorni o addirittura settimane per orbitare intorno ad esso: era dunque un target più stabile e quasi tutte le immagini avevano lo stesso aspetto. “Non è accaduto lo stesso per Sagittarius A- spiegano i ricercatori- l’immagine del buco nero al centro della nostra galassia è una media delle diverse immagini estratte dal team, svelando finalmente questo oggetto per la prima volta”. Un risultato frutto del lavoro di oltre 300 ricercatori e ricercatrici di 80 istituti in tutto il mondo che insieme formano la Collaborazione EHT.

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“Nella survey a tutto cielo di eROSITA, abbiamo trovato due galassie precedentemente quiescenti che ora mostrano netti e potenti impulsi quasi periodici nei raggi X”, dice Riccardo Arcodia, dottorando dell’Istituto Max Planck per la Fisica Extraterrestre (MPE), primo autore dello studio pubblicato su Nature. Questi oggetti sono decisamente rari: finora, infatti, erano note solo due sorgenti con proprieta’ analoghe. “Poiche’ questo nuovo tipo di sorgenti sembra essere peculiare solamente nei raggi X, abbiamo deciso di utilizzare i dati della missione eROSITA e ne abbiamo trovate immediatamente altre due”, aggiunge Arcodia. Il telescopio eROSITA attualmente scansiona l’intero cielo nei raggi X e i dati che vengono raccolti con continuita’ sono ideali per cercare eventi transitori, proprio come queste eruzioni di energia. Entrambe le nuove sorgenti scoperte da eROSITA hanno mostrato una notevole variabilita’ nei raggi X nell’arco di poche ore, caratteristica che e’ stata confermata da osservazioni di follow-up con i telescopi spaziali XMM-Newton e NICER. A differenza dei due oggetti simili finora noti, le galassie di queste nuove sorgenti scoperte da eROSITA erano finora ritenute ospitare buchi neri quiescenti. “Queste due galassie appaiono del tutto normali, con una massa piuttosto contenuta e senza indizio di alcuna attivita’ peculiare precedente”, spiega Andrea Merloni del MPE, principal investigator di eROSITA. “Senza queste improvvise e ripetute eruzioni di raggi X le avremmo ignorate”.

Emissione quasi-periodica come quella scoperta da eROSITA e’ tipicamente associata a sistemi binari. I dati indicano che, se queste eruzioni fossero innescate dalla presenza di un oggetto orbitante attorno al buco nero, la sua massa dovrebbe essere molto piu’ piccola di esso, ad esempio come quella di una stella o anche a una nana bianca. Questi oggetti celesti potrebbero interagire con il buco nero e la materia circostante durante ogni orbita. “Non sappiamo ancora cosa possa innescare queste eruzioni di raggi X – sottolinea Arcodia – ma sappiamo che le regioni circostanti al buco nero erano tranquille fino a poco tempo fa, quindi non e’ necessario ipotizzare che fosse gia’ presente un disco di accrescimento come quello attorno ai buchi neri nelle galassie attive per innescare questi fenomeni”. Ulteriori campagne di osservazione nei raggi X di questi oggetti aiuteranno a confermare o escludere questo scenario. “Se l’origine di queste eruzioni fosse un sistema binario, sarebbe una soluzione molto intrigante perche’ ci permetterebbe in futuro di combinare sia osservazioni nelle onde elettromagnetiche che in quelle gravitazionali, aprendo cosi’ nuove frontiere dell’astrofisica multimessaggera” conclude Gabriele Ponti, ricercatore INAF a Milano.

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Le caratteristiche dei lava tubes attirano quindi l’interesse delle agenzie spaziali in vista di possibili future esplorazioni sulla superficie della Luna (anche relative al progetto Artemis della Nasa) e, nel caso di Marte, “per la ricerca di segni di vita presente o passata nel sottosuolo”, dice Sauro. “L’Esa ha lanciato nell’autunno del 2019 una campagna di raccolta di idee rivolta a industrie e Universita’ per lo sviluppo di nuove tecnologie dedicate ad esplorare cavita’ nel sottosuolo lunare, ed ha previsto la realizzazione di un lander lunare che avra’ tra i possibili scenari di missione anche i tubi lavici”, precisa Jo De Waele, speleologo e professore dell’Universita’ di Bologna, tra gli autori dello studio. “Inoltre, dal 2012 l’Esa svolge, con la collaborazione di varie Universita’ europee tra cui quelle di Bologna e Padova, i programmi di addestramento Caves e Pangaea, rispettivamente focalizzati all’esplorazione di grotte e alla geologia planetaria, inclusi tubi lavici nell’isola di Lanzarote. Ad oggi, 36 astronauti da cinque diverse agenzie spaziali sono stati addestrati a progressioni in grotta, e sei astronauti e quattro specialisti di missione e operazioni hanno acquisito le capacita’ necessarie per condurre attivita’ geologico-esplorative sul campo”.

“I lava tubes esistono non solo sulla Terra, ma anche nel sottosuolo della Luna e di Marte i cui pozzi di accesso in superficie sono stati ripetutamente osservati nelle immagini ad alta risoluzione fornite dalle sonde interplanetarie. La presenza di tali condotti e’ infatti spesso evidenziata da allineamenti sinuosi di cavita’ e collassi nei tratti in cui la volta della galleria ha ceduto”, spiega Sauro. “Questi collassi, di fatto, costituiscono anche potenziali ingressi o finestre sul sottosuolo. Piu’ in generale, i lava tubes presentano espressioni morfologiche superficiali che hanno notevoli somiglianze con i loro analoghi terrestri, molti dei quali gia’ esplorati dagli speleologi come nel caso delle Hawaii, delle Isole Canarie, di Australia e Islanda”. Lo studio dei volumi e delle morfologie delle porzioni collassate di lava tubes sulla superficie della Luna e di Marte e’ stato effettuato tramite modelli digitali del terreno ottenuti da immagini satellitari stereoscopiche e da altimetrie laser acquisite da sonde interplanetarie, aggiunge Riccardo Pozzobon. “I dati ottenuti- racconta Pozzobon- sono stati confrontati con rilievi topografici di morfologie di collasso analoghe presenti sulla superficie terrestre e con spettacolari scansioni laser dell’interno di lava tubes di Lanzarote e delle Galapagos, che hanno permesso di fornire un vincolo sulle relazioni tra collassi e porzioni di cavita’ sotterranee ancora intatte”. I ricercatori hanno cosi’ scoperto che, rispetto ai tubi lavici terrestri che raggiungono i 10-30 metri di diametro, le dimensioni aumentano di 100 volte su Marte e di 1.000 sulla Luna. “Questo impressionante aumento di dimensioni che comporta una stima fino a un miliardo di metri cubi sulla Luna e’ dovuto alla minore gravita’ e ai suoi effetti sul vulcanesimo”.

Esplorazione di un tubo lavico nel sottosuolo di Lanzarote (Foto: ESA/Luca Ricci)

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L’altra buona notizia su 1998 OR2 e’ che essendo in oggetto di grandi dimensioni (stimate tra 1 e 4 km) sara’ possibile osservarlo da terra anche con telescopi amatoriali: un’occasione davvero speciale per gli appassionati di astronomia pratica. Al grande radiotelescopio di Arecibo a Puerto Rico non si sono fatti sfuggire l’occasione e hanno prodotto una spettacolare immagine radar dell’asteroide. Per una curiosa coincidenza il passaggio di 1998 OR2 avviene in concomitanza con la pubblicazione sulla autorevole rivista ‘Meteoritics and Planetary Science’ del ritrovamento di un manoscritto ottomano risalente al 1888 in cui si trova conferma per la prima volta di una vittima da meteorite. Il violento impatto di un asteroide di piccole dimensioni su una collina nella regione di Sulaymaniyah (nell’odierno Iraq) probabilmente esploso in volo, secondo i rapporti dei Vizir dell’epoca al governo centrale avrebbe ucciso una persona e ferito gravemente un’altra. Un evento che ricorda il ‘superbolide’ di Chelyabinsk che nel febbraio 2013 getto’ nello scompiglio la citta Siberiana (in quel caso fortunatamente ci furono solo feriti dovuti agli effetti collaterali come l’esplosione delle finestre causate dall’onda d’urto) e che rappresenta la nuova frontiera del monitoraggio asteroidale: la scoperta di piccoli asteroidi in rotta di collisione con la Terra con un anticipo tale da poter individuare tempestivamente la regione interessata dalla eventuale caduta di meteoriti. Ad oggi ci si e’ riusciti solo poche volte ma in futuro dovrebbe essere la norma grazie al contributo della nuova generazione di telescopi destinati alla sorveglianza spaziale. Primo fra tutti Fly-Eye (cosi’ chiamato a per le ottiche che ricordano l’occhio di una mosca) telescopio che l’Asi ha fortemente voluto nell’ambito del programma ESA Space Situational Awareness che e’ in via di completamento e installato sul Monte Mufara, in Sicilia. Con il suo superocchio, Fly Eye e’ particolarmente sensibile ai corpi celesti che vorranno avvicinarsi troppo vicino alla Terra.

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