Una nuova scoperta nell'Universo: il buco nero stellare da 33 Masse Solari

Si chiama BH3 ed è un buco nero da primato, il più massiccio buco nero di origine stellare tra quelli finora scoperti, con ben 33 masse solari. La scoperta è stata effettata grazie al satellite Gaia dell’Agenzia Spaziale Europea.

Buchi neri — I tre buchi neri stellari più massicci finora noti. BH3 è il più massiccio e il più recentemente scoperto.Credit: Eso/M. Kornmesser

A poco più di 10 anni dal suo lancio, il satellite Gaia dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) porta a casa un ennesimo primato, la scoperta di un buco nero di origine stellare di 33 masse solari: si tratta del più massiccio finora scoperto e, peraltro, relativamente vicino alla Terra (in termini astronomici), a circa 1926 anni luce di distanza.

Chi è BH3

La sigla BH3 star per Black Hole #3 nel catalogo dei buchi neri scoperti dal satellite Gaia.

BH1, scoperto nel 2022, è un buco nero in direzione della costellazione di Ofiuco di circa 10 masse solari distante da noi circa 1560 anni luce e attorno a cui ruota una stella simile al Sole che impiega circa 6 mesi per compiere un’orbita completa.

BH2 è il secondo buco nero scoperto da Gaia nel 2023 in direzione della costellazione del Centauro di circa 9 masse solari ad una distanza di circa 3600 anni luce, attorno a cui ruota un stella gigante rossa che impiega circa 3.5 anni per compiere un’intera orbita.

BH3 è il terzo! Si tratta di un buco nero a 1926 anni luce dalla Terra (quindi il secondo più vicino) in direzione della costellazione dell’Aquila, ma il primo per massa, ben 33 masse solari (lo segue il buco nero Cygnus X-1 con 21 masse solari). Attorno a BH3 orbita una stella gigante che impiega circa 11.5 anni per compiere un’intera orbita.

Come è stato scoperto

Il satellite Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics) è in grado di misurare la posizione (astrometria) di milioni di oggetti celesti con una precisione mai prima raggiunta. Grazie a questa sua capacità, le osservazioni di questo satellite stanno permettendo di realizzare la mappatura più precisa mai fatta della nostra Galassia.

Quando due stelle sono gravitazionalmente legate tra loro, queste ruotano attorno al comune centro di massa, o più generalmente ruotano l’una attorno all’altra descrivendo orbite ellittiche.

Le osservazioni di Gaia, ottenute nel corso degli anni, hanno rivelato la presenza di tre stelle in particolare le quali descrivono orbite ellittiche.

Ricostruzione dell'orbita della gigante rossa attorno al buco nero BH3 (invisibile). Le caratteristiche dell'orbita hanno permesso di scoprirne l'esistenza e di misurane una massa di 33 masse solari. Credit: Gaia collaboration, Panuzzo et al. (2024), A&A Letters

Si tratta quindi di stelle in sistemi binari, di cui però la compagna non è visibile. In tutti e tre i casi le caratteristiche dell’orbita osservata da Gaia hanno permesso di determinare la massa della compagna invisibile. Si è trovato che le compagne invisibili hanno una massa di 10 masse solari nel caso di BH1, di 9 masse solari nel caso di BH2 e di ben 33 masse solari nel caso di BH3.

La compagna è invisibile poiché è un buco nero. Quindi la sua presenza è stata rivelata indirettamente grazie agli effetti gravitazionali, e quindi astrometrici, indotti sulla compagna visibile.

I tre buchi neri scoperti da Gaia appartengono alla tipologia di buco nero “dormiente” , detti così in quanto sono invisibili a tutte le lunghezze d’onda.

I buchi neri più diffusamente scoperti sono i buchi neri attivi, la cui presenza viene rivelata dall'intenso flusso di radiazione (ad esempio nella banda X) emessa dal materiale in caduta libera su di loro, materiale perso generalmente dalla stella compagna.

Nel caso di BH3, la compagna (la stella gigante rossa) non ha perso materiale che, accelerato verso il buco nero, possa emettere radiazione.

E’ una scoperta molto interessante

Nei sistemi binari (ma anche in sistemi formati da più di due stelle) la formazione delle due stelle compagne si origina a partire dal collasso gravitazionale di uno stesso frammento di nube molecolare. Quindi le due stelle condividono una stessa composizione chimica iniziale. La vicinanza alla Terra di BH3 ha permesso una misura accurata della composizione chimica della stella che orbita attorno al buco nero e quindi di conoscere la composizione chimica della stella che ha prodotto il buco nero.

Si tratta di una stella di Popolazione II, quindi povera di metalli.

Immagine del resto di supernova, cioè dell'esplosione di una stella molto massiccia, che porta alla formazione di un buco nero stellare. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

Questa scoperta va a confermare una precedente ipotesi secondo la quale le stelle molto massicce di Popolazione II durante le fasi evolutive finali (quelle che precedono l’esplosione di supernova che produce il buco nero) tendono a perdere poco materiale e quindi a restare particolarmente massicce. Questo spiegherebbe la formazione di buchi neri così massicci come BH3.

Esiste una connessione tra la massa del buco nero di origine stellare e la scarsezza di metalli della stella progenitrice.

I risultati dello studio sono stati presentati in un articolo che verrà a breve pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics Letters a prima firma di Pasquale Pannuzzo del Centre National de la Recherche Scientifique e da numerosi co-autori, tra cui lo scrivente, che partecipano all’analisi scientifica dei dati raccolti da Gaia.