Nel 2020, il telescopio a raggi X eRosita ha scattato immagini di due enormi bolle che si estendono molto sopra e sotto il centro della nostra galassia. Da allora, gli astronomi hanno discusso la loro origine. Ora, uno studio che include una ricerca dell'Università del Michigan suggerisce che le bolle sono il risultato di un potente getto di attività dal buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. Lo studio, pubblicato su Nature Astronomy, mostra anche che il getto ha iniziato a espellere materiale circa 2,6 milioni di anni fa, ed è durato circa 100.000 anni.
I risultati del team suggeriscono che le bolle di Fermi, scoperte nel 2010, e la foschia a microonde, una nebbia di particelle cariche all'incirca al centro della galassia, sono state formate dallo stesso getto di energia dal buco nero supermassiccio. Lo studio è stato condotto dalla National Tsing Hua University in collaborazione con U-M e l'Università del Wisconsin.
"Le nostre scoperte sono importanti nel senso che abbiamo bisogno di capire come i buchi neri interagiscono con le galassie che si trovano all'interno, perché questa interazione consente a questi buchi neri di crescere in modo controllato", ha dichiarato l'astronomo U-M Mateusz Ruszkowski, co-autore dello studio. Ci sono due modelli concorrenti che spiegano queste bolle, chiamate bolle di Fermi ed eRosita dai telescopi che le hanno trovate, ha spiegato Ruszkowski.
Il primo suggerisce che il deflusso è guidato da uno starburst nucleare, in cui una stella esplode in una supernova ed espelle materiale. Il secondo modello, che i risultati del team supportano, suggerisce che questi deflussi sono guidati dall'energia espulsa da un buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia.
Questi deflussi dai buchi neri si verificano quando il materiale viaggia verso il buco nero, ma non attraversa mai l'orizzonte degli eventi del buco nero, o la superficie matematica al di sotto della quale nulla può sfuggire. Poiché parte di questo materiale viene rigettato nello spazio, i buchi neri non crescono in modo incontrollabile.
Ma l'energia lanciata dal buco nero sposta il materiale vicino al buco nero, creando queste grandi bolle. Le strutture stesse sono alte 11 kiloparsec. Un parsec equivale a 3,26 anni luce, ovvero circa tre volte la distanza che la luce percorre nel corso di un anno. Le strutture, quindi, sono alte quasi 36.000 anni luce.
Per fare un confronto, la galassia della Via Lattea ha un diametro di 30 kiloparsec e il nostro sistema solare risiede a circa 8 kiloparsec dal centro della galassia. Le bolle di eRosita sono circa due volte più grandi delle bolle di Fermi e sono espanse dall'onda di energia, o un'onda d'urto, spinta fuori dalle bolle di Fermi, secondo i ricercatori.
Gli astronomi sono interessati all'osservazione di queste bolle di eRosita in particolare perché si verificano nel nostro cortile galattico rispetto agli oggetti in una galassia diversa o a distanza cosmologica estrema. La nostra vicinanza ai deflussi significa che gli astronomi possono raccogliere un'enorme quantità di dati, ha spiegato Ruszkowski.
"Non solo possiamo escludere il modello starburst, ma possiamo anche mettere a punto i parametri necessari per produrre le stesse immagini, o qualcosa di molto simile a ciò che è nel cielo, all'interno di quel modello di buco nero supermassiccio", ha dichiarato Ruszkowski. "Possiamo limitare meglio alcune cose, come quanta energia è stata pompata, cosa c'è dentro queste bolle e per quanto tempo è stata iniettata l'energia per produrre queste bolle".
Cosa c'è dentro di loro? Raggi cosmici, una forma di radiazione ad alta energia. Le bolle eRosita racchiudono le bolle di Fermi, il cui contenuto è sconosciuto. Ma i modelli dei ricercatori possono prevedere la quantità di raggi cosmici all'interno di ciascuna delle strutture. L'iniezione di energia dal buco nero gonfiava le bolle e l'energia stessa era sotto forma di energia cinetica, termica e cosmica. Di queste forme di energia, la missione Fermi poteva rilevare solo il segnale dei raggi gamma provenienti dai raggi cosmici.
Karen Yang, autrice principale dello studio e assistente professore presso la National Tsing Hua University di Taiwan, ha iniziato a lavorare su una prima versione del codice utilizzato nella modellazione in questo articolo come ricercatrice post-dottorato presso U-M con Ruszkowski. Per arrivare alle loro conclusioni, i ricercatori hanno eseguito simulazioni numeriche di rilascio di energia che tengono conto dell'idrodinamica, della gravità e dei raggi cosmici.
"La nostra simulazione è unica in quanto tiene conto dell'interazione tra i raggi cosmici e il gas all'interno della Via Lattea. I raggi cosmici, iniettati con i getti del buco nero, si espandono e formano le bolle di Fermi che brillano nei raggi gamma", ha spiegato Yang.
"La stessa esplosione spinge il gas lontano dal centro galattico e forma un'onda d'urto che viene osservata come bolle di eRosita. La nuova osservazione delle bolle di eRosita ci ha permesso di limitare più accuratamente la durata dell'attività del buco nero e di comprendere meglio la storia passata della nostra galassia".
Il modello dei ricercatori esclude la teoria dello starburst nucleare perché la durata tipica di uno starburst nucleare, e quindi il periodo di tempo in cui uno starburst inietterebbe l'energia che forma le bolle, è di circa 10 milioni di anni, secondo la coautrice dello studio Ellen Zweibel, professore di astronomia e fisica presso l'Università del Wisconsin.
"D'altra parte, il nostro modello di buco nero attivo prevede con precisione le dimensioni relative delle bolle a raggi X eRosita e delle bolle di raggi gamma fermi, a condizione che il tempo di iniezione di energia sia circa l'uno per cento di quello, o un decimo di milione di anni", ha affermato Zweibel.
"L'iniezione di energia per oltre 10 milioni di anni produrrebbe bolle con un aspetto completamente diverso. È l'opportunità di confrontare le bolle a raggi X e gamma che fornisce il pezzo cruciale precedentemente mancante". I ricercatori hanno utilizzato i dati della missione eRosita, del fermi gamma-ray Space Telescope della NASA, del Planck Observatory e della Wilkinson Microwave Anisotropy Probe.