Stelle divorate da buchi neri

Quasi tutte le galassie ospitano nel loro nucleo un buco nero supermassiccio, spesso dormiente. A volte, però, può capitare che una stella si avvicini troppo al buco nero, tanto da essere distrutta dalle intense forze mareali. Grazie a questi eventi di distruzione mareale, parte del materiale stellare viene divorato dal buco nero che, di conseguenza, si risveglia.

Quando una sfortunata stella si trova a passare nelle vicinanze di un buco nero supermassiccio (Smbh) può essere distrutta dalle forti forze mareali in gioco. Il risultato è un evento transiente detto di distruzione mareale, o, in inglese, tidal disruption event (Tde). Durante questi fenomeni, la forte gravità esercitata dal Smbh è in grado di superare quella che tiene insieme la stella, e quindi riesce a distruggerla, allungandola sino a formare sottili filamenti di materiale stellare in un processo detto di “spaghettificazione”. Una parte di questo materiale sfugge all’attrazione gravitazionale del buco nero ed è espulsa sottoforma di forti venti (outflows). Invece, i filamenti di materiale stellare che rimangono gravitazionalmente legati tra loro cominciano a muoversi su orbite fortemente ellittiche, in un processo detto di circolarizzazione, che si conclude con la costruzione di un nuovo disco di materiale stellare in accrescimento sul Smbh (disco di accrescimento). Un’enorme quantità di energia viene rilasciata ed è osservabile da Terra sotto forma di brevi ma luminosi, bagliori di radiazione elettromagnetica − con durate tipiche di mesi/anni −, provenienti da nuclei di galassie che fino a quel momento non avevano mai mostrato una simile attività (per questo dette quiescenti). Questo fenomeno di fatto risveglia un Smbh dormiente, innescando una nuova ma temporalmente limitata fase di attività in cui il Smbh risucchia materiale stellare che, cadendo verso il Smbh, si riscalda fino a raggiungere temperature altissime. Esso, quindi, emette radiazioni intense alle frequenze X, Uv e ottico che lo rendono finalmente visibile agli astronomi.

OSSERVARE UN TDE

Affinché la stella venga distrutta e non direttamente inglobata dal Smbh (caso in cui non si avrebbe nessuna emissione elettromagnetica), i buchi neri coinvolti devono essere necessariamente piccoli. Questo comporta che i Tde possono avvenire solamente attorno a Smbh caratterizzati da piccole masse e che sono i più rari e difficili da studiare. Tra questi sono inclusi anche i più elusivi buchi neri di massa intermedia (Imbh), ma, a oggi, nessun caso conclamato è stato annunciato. L’osservazione di un Tde, rappresenta, quindi, un potentissimo strumento di indagine per fare luce sulla natura, l’origine e l’evoluzione di quei Smbh dormienti e con piccole masse che altrimenti non sarebbe possibile rivelare. Questa popolazione di buchi neri è complementare a quella tipicamente selezionata negli studi dedicati ai Smbh attivi (come gli Agn, i nuclei galattici attivi, o i quasar). Conoscerne le caratteristiche ha importanti ripercussioni per gli studi sulla formazione ed evoluzione dei Smbh in generale e, poiché i loro destini sembrano essere fortemente legati, anche delle galassie che li ospitano. I Tde, inoltre, permettono di studiare in dettaglio sia le caratteristiche intrinseche dei Smbh coinvolti (ad esempio, la massa e lo spin) sia tutti i fenomeni fisici collegati all’accrescimento di materia su un buco nero come, ad esempio, la formazione ed emissione di jet o l’emissione di forti venti. Poiché le tempistiche tipiche dei Tde sono accessibili all’essere umano, con durate complessive di alcuni mesi, o al massimo qualche anno, gli astronomi che studiano questi eventi hanno la preziosa possibilità di essere testimoni diretti di tutte le varie fasi dell’accrescimento di materia: dalla costruzione di un disco di accrescimento all’emissione di jet di materiale ultraveloce, fino all’esaurimento del fenomeno stesso.
I Tde sono anche squisite sorgenti multimessaggere, capaci di emettere neutrini ad alte energie e di produrre onde gravitazionali di bassa frequenza rivelabili dai rivelatori di onde gravitazionali di futura generazione come Lisa e Lgwa. Quindi, conoscere in dettaglio le loro caratteristiche oggi può essere di grande rilevanza per lo sviluppo e l’applicazione di un efficace approccio multimessaggero in futuro e per realizzare importanti conquiste scientifiche, facendo luce sulle origini dei buchi neri supermassicci.

UN’IPOTESI CONFERMATA

Gli eventi di distruzione mareale sono stati teorizzati per la prima volta nel 1975 da Jack Hills e successivamente approfonditi nel 1988 da Martin Rees. Essi descrissero accuratamente i possibili effetti che l’intensa forza gravitazionale di un buco nero supermassiccio poteva provocare su una stella, se sufficientemente vicina. Tra i vari scenari, quello più intrigante era proprio la disintegrazione per spaghettificazione. Tuttavia, per la prima osservazione di un Tde si è dovuto aspettare un decennio, poiché negli anni Ottanta non era ancora disponibile una strumentazione adeguata alla loro rivelazione. Fu solo agli inizi degli anni Novanta che, in seguito a ricerche eseguite sui dati collezionati dalle osservazioni del telescopio X-ray Rosat (la ROSAT All Sky Survey), vennero casualmente rivelate delle emissioni transienti provenienti da nuclei di galassie quiescenti che, sorprendentemente, si comportavano proprio come descritto nelle teorie di Hills e Rees. Esse furono quindi spiegate come eventi di distruzione mareale e rappresentarono, in assoluto, la prima evidenza osservativa dell’esistenza di tali fenomeni e, contemporaneamente, una fortissima prova della presenza di buchi neri dormienti nei nuclei delle galassie. Da allora, il crescente interesse della comunità scientifica ha portato allo sviluppo di sempre più accurate strategie osservative culminate, negli anni immediatamente successivi, con la scoperta di molti altri candidati Tde, emersi da osservazioni in banda X realizzate con numerosi telescopi che si resero disponibili nel tempo, come Swift/Xrt, Xmm, Chandra, Nicer. A oggi, survey X specificatamente progettate e dedicate alla ricerca di transienti, come eRosita, Einstein Probe e Svom, continuano ad ampliare il catalogo di candidati Tde osservati in banda X e ad arricchirlo di casi sempre più intriganti e peculiari.

UN EVENTO FREQUENTE

Attualmente, lo studio di questa popolazione di transienti sta vivendo un periodo di grande sviluppo su molti fronti (teorico, demografico, osservativo). Solo nel corso dell’ultimo decennio, grazie allo sviluppo di sempre più potenti survey ottiche a grande campo, specificatamente dedicate alla ricerca di transienti (come, Atlas, Pan-starrs, Asassn e Ztf) si è assistito a un repentino aumento del numero di Tde rivelati in questa frequenza, che è passato da qualche candidato a quasi un centinaio di eventi conclamati, con un attuale tasso di rivelazione di circa 10 Tde l’anno. Grazie alla rapida identificazione dei candidati, allo sviluppo di campagne di monitoraggio mirate, accurate e temporalmente estese, e all’utilizzo di un approccio sempre più multibanda, il campione di Tde è in continua e costante crescita, e ha svelato una popolazione di transienti con distinte proprietà osservative nelle diverse bande, ma anche con numerosi casi peculiari che continuano a stupire e a sfidare le teorie sviluppate per spiegare le osservazioni. Infatti, nonostante questo rapido sviluppo, i meccanismi responsabili della radiazione osservata e le caratteristiche della regione da cui tale radiazione è emessa rimangono ancora un mistero. Ad esempio, un fatto particolarmente interessante è emerso dal sistematico monitoraggio in banda X dei candidati Tde selezionati nell’ottico. Contrariamente a quanto atteso dai modelli teorici, non tutti i Tde identificati nelle frequenze del visibile sono accompagnati anche da un’emissione di radiazione in banda X. Solo poche eccezioni sono state osservate, e includono anche casi in cui l’emissione in banda X è stata osservata con un ritardo di mesi/anni rispetto alla luce visibile. Sono stati teorizzati alcuni scenari per spiegare questo dualismo osservato, ma ad oggi sono ancora in discussione.
Con l’inizio delle operazioni di Vro-Lsst, gli astronomi si aspettano un ulteriore ed entusiasmante incremento del tasso di rivelazione dei Tde, che dovrebbe raggiungere i 10 al giorno, e che avrà il prezioso potenziale di fare luce sulle ancora numerose domande riguardo a questi transienti e la popolazione di Smbh in essi coinvolta.

LO STRANO CASO DI AT2022WTN

Nell’ottobre del 2022, la survey ottica Zwicky Transient Facility (Ztf) ha annunciato la rivelazione di un evento transiente – denominato AT2022wtn − localizzato nel nucleo della galassia SDSSJ232323.79+104107.7, la più piccola di una coppia di galassie in interazione. Questo transiente ospitato in un ambiente così particolare ha immediatamente attirato l’attenzione degli astronomi delle collaborazioni ePessto+ e Ztf, che hanno attivato una campagna di classificazione e monitoraggio in multifrequenza per identificarne la natura e studiarne le caratteristiche. Osservazioni nel visibile − arricchite dall’acquisizione di numerosi e ben cadenzati spettri ottici e accompagnate da una serie di osservazioni in banda X (con il satellite Swift), nell’infrarosso e nel radio − hanno svelato che si trattava di un raro evento di distruzione mareale. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, in un articolo scientifico guidato dalla dottoressa Francesca Onori, assegnista di ricerca dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf). Il lavoro riporta dettagliatamente la strategia osservativa applicata e i risultati ottenuti, offrendo nuove prospettive sui processi che si innescano in un Tde e quali sono le implicazioni derivate dall’osservazione di un tale evento in una coppia di galassie in interazione.
AT2022wtn si è verificato nel nucleo della galassia meno massiccia − circa dieci volte più piccola della sua compagna − di una coppia in una fase iniziale del processo di fusione tra galassie, e mostra caratteristiche particolarmente insolite rispetto agli eventi mareali già noti. La sua curva di luce (l’evoluzione nel tempo della luminosità del transiente) mostra un andamento peculiare: un plateau al massimo valore della sua luminosità della durata di circa 30 giorni, accompagnato da un repentino calo di temperatura, spettri ottici dominati da elio e azoto, ma con profili delle righe di emissione caratterizzate da un doppio picco e l’assenza di emissione X, anche dopo molti mesi di monitoraggio. Tra gli aspetti più sorprendenti riportati nell’articolo c’è anche l’identificazione di una serie di indizi che segnalano la presenza di forti venti stellari prodotti dal Tde: la rilevazione di un’emissione radio transiente e forti variazioni nel tempo delle velocità delle linee spettrali. Lo scenario proposto dagli autori dell’articolo per spiegare tutti i dati a loro disposizione è la completa distruzione mareale di una stella di bassa massa da parte di un buco nero supermassiccio quiescente di circa un milione di masse solari. Questo fenomeno ha generato un nuovo disco di accrescimento attorno al buco nero e una sorta di “bolla” quasi sferica di gas, espulso in rapida espansione, che ha oscurato la radiazione X emessa dal materiale del disco di accrescimento ed è responsabile dell’emissione della radiazione ottica osservata.
Una caratteristica intrigante di questo Tde è l’ambiente che lo ha ospitato. AT2022wtn, infatti, è il secondo Tde osservato in una coppia di galassie in interazione, cosa che, a questo punto, risulta essere molto più che una semplice casualità. Infatti, l’aver osservato ben due eventi in questo tipo in sistemi di galassie rafforza la recente teoria che le fasi iniziali delle fusioni tra galassie potrebbero di fatto causare un aumento della frequenza di questi fenomeni estremi. I primi passaggi dell’interazione tra galassie, infatti, potrebbero favorire la deviazione delle orbite di alcune stelle verso le regioni nucleari, dove risiedono Smbh dormienti che potrebbero distruggerle.