Gli astronomi hanno utilizzato le lenti gravitazionali per ottenere uno sguardo senza precedenti su un sistema di buchi neri nell'Universo primordiale. L'illustrazione di un artista mostra come la luce dei raggi X da uno degli oggetti a sinistra (viola) è stata deformata dalla gravità di una galassia interposta per produrre due sorgenti rilevate nell'immagine di Chandra (quadrato tratteggiato a destra). La luce dell'oggetto più debole (blu) è stata amplificata dalla galassia per essere fino a 300 volte più luminosa di quanto sarebbe stata senza l'obiettivo. L'immagine a raggi X di Chandra è mostrata anche nella seconda figura. I due oggetti sono due buchi neri supermassicci in crescita o un buco nero e un getto. Credito: NASA/CXC/M. Weiss; Raggi X (inserto): NASA/CXC/SAO/D. Schwartz et al.
Sfruttando una lente naturale nello spazio, gli astronomi hanno catturato uno sguardo senza precedenti sui raggi X da a buco nero sistema nell'Universo primordiale.
Questa lente d'ingrandimento è stata utilizzata per rendere più nitide le immagini a raggi X per la prima volta utilizzando NASAdell'Osservatorio a raggi X Chandra. Ha catturato dettagli sui buchi neri che normalmente sarebbero troppo distanti per essere studiati utilizzando i telescopi a raggi X esistenti.
Gli astronomi hanno applicato un fenomeno noto come "lente gravitazionale" che si verifica quando il percorso della luce proveniente da oggetti distanti viene piegato da una grande concentrazione di massa, come una galassia, che si trova lungo la linea di vista. Questa lente può ingrandire e amplificare la luce di grandi quantità e creare immagini duplicate dello stesso oggetto. La configurazione di queste immagini duplicate può essere utilizzata per decifrare la complessità dell'oggetto e rendere più nitide le immagini.
Il sistema a lenti gravitazionali nel nuovo studio si chiama MG B2016+112. I raggi X rilevati da Chandra sono stati emessi da questo sistema quando l'Universo aveva solo 2 miliardi di anni rispetto alla sua età attuale di quasi 14 miliardi di anni.
"I nostri sforzi per vedere e comprendere oggetti così distanti nei raggi X sarebbero condannati se non avessimo una lente d'ingrandimento naturale come questa", ha affermato Dan Schwartz del Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian (CfA), che ha condotto lo studio.
L'ultima ricerca si basa sul lavoro precedente condotto dalla coautrice Cristiana Spingola, attualmente presso l'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) di Bologna, in Italia. Usando le osservazioni radio di MG B2016+112, il suo team ha trovato prove di una coppia di buchi neri supermassicci in rapida crescita separati solo da circa 650 anni luce. Hanno scoperto che entrambi i candidati al buco nero potrebbero avere dei getti.
Utilizzando un modello di lente gravitazionale basato sui dati radio, Schwartz e i suoi colleghi hanno concluso che le tre sorgenti di raggi X rilevate dal sistema MG B2016+112 devono essere risultate dalla lente di due oggetti distinti. Questi due oggetti che emettono raggi X sono probabilmente una coppia di buchi neri supermassicci in crescita o un buco nero supermassiccio in crescita e il suo getto. La stima della separazione di questi due oggetti è coerente con il lavoro radiofonico.
Le precedenti misurazioni di Chandra di coppie o trii di buchi neri supermassicci in crescita hanno generalmente coinvolto oggetti molto più vicini alla Terra o con separazioni molto più grandi tra gli oggetti. In precedenza era stato osservato un getto di raggi X a una distanza ancora maggiore dalla Terra, con luce emessa quando l'Universo aveva solo il 7% della sua età attuale. Tuttavia, l'emissione del getto è separata dal buco nero di circa 160,000 anni luce.
Il presente risultato è importante perché fornisce informazioni cruciali sulla velocità di crescita dei buchi neri nell'Universo primordiale e sull'individuazione di un possibile doppio sistema di buchi neri. La lente gravitazionale amplifica la luce di questi oggetti lontani che altrimenti sarebbero troppo deboli per essere rilevati. La luce a raggi X rilevata da uno degli oggetti in MG B2016+112 potrebbe essere fino a 300 volte più luminosa di quanto sarebbe stata senza l'obiettivo.
"Gli astronomi hanno scoperto buchi neri con masse miliardi di volte superiori a quella del nostro Sole che si sono formati appena centinaia di milioni di anni dopo il big bang, quando l'Universo aveva solo una piccola percentuale della sua età attuale", ha detto Spingola. "Vogliamo risolvere il mistero di come questi buchi neri supermassicci abbiano guadagnato massa così rapidamente".
Gli incrementi della lente gravitazionale potrebbero consentire ai ricercatori di stimare quanti sistemi contenenti due buchi neri supermassicci hanno separazioni abbastanza piccole da produrre onde gravitazionali osservabile in futuro con rivelatori spaziali.
“In molti modi, questo risultato è un'eccitante dimostrazione di come questa 'lente d'ingrandimento' può aiutarci a rivelare la fisica dei buchi neri supermassicci distanti in un nuovo approccio. Senza questo effetto Chandra avrebbe dovuto osservarlo alcune centinaia di volte più a lungo e anche allora non avrebbe rivelato le strutture complesse", ha detto la coautrice Anna Barnacka del CfA e dell'Università Jagellonica, che ha sviluppato le tecniche per trasformare le lenti gravitazionali in telescopi ad alta risoluzione per rendere più nitide le immagini.
“Grazie alla lente gravitazionale, osservazioni di Chandra molto più lunghe potrebbero essere in grado di distinguere tra la coppia di buchi neri e le spiegazioni del buco nero più il getto. Non vediamo l'ora di applicare questa tecnica in futuro, soprattutto perché i sondaggi da parte dei principali nuovi impianti ottici e radio che presto entreranno in funzione forniranno decine di migliaia di obiettivi", ha concluso Schwartz.
L'incertezza nella posizione dei raggi X di uno degli oggetti in MG B2016+112 è di 130 anni luce in una dimensione e 2,000 anni luce nell'altra dimensione perpendicolare. Ciò significa che la dimensione dell'area in cui è probabile che si trovi la sorgente è più di 100 volte più piccola dell'area corrispondente per una tipica sorgente Chandra che non è dotata di obiettivo. Tale precisione nella determinazione della posizione non ha eguali nell'astronomia a raggi X per una sorgente a questa distanza.
Per ulteriori informazioni su questa ricerca, vedere Gli astronomi usano la "lente d'ingrandimento a raggi X" per migliorare la vista dei buchi neri distanti.
Un articolo che descrive questi risultati appare nel numero di agosto di The Astrophysical Journal, (vol. 917, p26.) e una versione pre-pubblicazione è disponibile su https://arxiv.org/abs/2103.08537.
Riferimento: "Resolving Complex Inner X-Ray Structure of the Gravitationally Lensed AGN MG B2016+112" di Daniel Schwartz, Cristiana Spingola e Anna Barnacka, 11 agosto 2021, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac0909
Il Marshall Space Flight Center della NASA gestisce il programma Chandra. Il Chandra X-ray Center dello Smithsonian Astrophysical Observatory controlla le operazioni scientifiche da Cambridge, nel Massachusetts, e le operazioni di volo da Burlington, nel Massachusetts.
