I buchi neri conosciuti si dividono in due grandi famiglie. Ci sono quelli di massa stellare, da qualche volta a qualche decina di volte la massa del Sole, nati dal collasso di stelle massicce. E ci sono quelli supermassicci, da milioni a miliardi di masse solari, che si trovano al centro delle galassie. Ma in mezzo? Per decenni i buchi neri di "taglia media" sono stati un anello mancante. Nel 2020 il telescopio spaziale Hubble ha fornito una delle prove più convincenti della loro esistenza.
Il mistero della taglia M
I buchi neri di massa intermedia, tra cento e centomila masse solari, dovrebbero esistere per diverse ragioni. I buchi neri supermassicci non possono essersi formati direttamente così grandi: devono essere cresciuti da "semi" più piccoli, fondendosi e inghiottendo materia. I buchi neri intermedi sarebbero proprio questi semi, o i loro resti.
Il problema è trovarli. I buchi neri non emettono luce: li si individua solo dall'effetto che hanno sull'ambiente, per esempio quando divorano gas che si scalda e brilla nei raggi X, o dal movimento delle stelle vicine. I buchi neri intermedi sono troppo piccoli per dominare il centro di una galassia e troppo grandi per nascere da una sola stella, e di solito restano silenziosi.
Una stella fatta a pezzi
La scoperta del 2020 è partita da un lampo di raggi X registrato nel 2006 dai satelliti Chandra, della NASA, e XMM-Newton, dell'ESA. La sorgente, chiamata con una lunga sigla, 3XMM J215022.4−055108, si trovava alla periferia di una galassia a circa 740 milioni di anni luce. Il segnale era compatibile con un evento di distruzione mareale: una stella che si avvicina troppo a un buco nero viene stirata e fatta a pezzi dalla sua gravità, e i suoi resti, spiraleggiando verso il buco nero, si scaldano ed emettono raggi X.
Un gruppo di ricercatori guidato da Dacheng Lin dell'Università del New Hampshire usò poi Hubble per osservare la zona con grande dettaglio. Il telescopio mostrò che la sorgente si trovava in un denso ammasso stellare, probabilmente il nucleo di una galassia nana inglobata. Dall'analisi dei raggi X i ricercatori stimarono la massa del buco nero: circa 50.000 masse solari. Proprio la taglia intermedia che si cercava.
La prova delle onde gravitazionali
Nello stesso anno arrivò un'altra conferma, da un metodo completamente diverso. Il 21 maggio 2019 i rivelatori di onde gravitazionali LIGO e Virgo avevano registrato un segnale, chiamato GW190521, prodotto dalla fusione di due buchi neri di circa 85 e 66 masse solari. Il risultato della fusione, annunciato nel settembre 2020, era un buco nero di circa 142 masse solari: il primo buco nero di massa intermedia osservato direttamente con le onde gravitazionali.
Anche i due buchi neri di partenza erano un mistero. Secondo i modelli, le stelle non possono produrre buchi neri tra circa 65 e 130 masse solari, perché in quelle stelle le esplosioni finali disintegrano completamente l'astro. Uno dei due, quindi, era forse a sua volta il prodotto di una fusione precedente. Le onde gravitazionali hanno permesso anche di osservare gli scontri tra stelle di neutroni, come raccontato nell'articolo sulle kilonove.
Omega Centauri
Nel 2024 un'altra ricerca basata su oltre vent'anni di osservazioni di Hubble ha individuato un buco nero intermedio nel cuore di Omega Centauri, il più grande ammasso globulare della Via Lattea, visibile a occhio nudo dall'emisfero australe. Gli astronomi hanno trovato sette stelle che si muovono troppo velocemente per restare legate all'ammasso senza la presenza di una massa invisibile al centro: almeno 8.000 masse solari.
Omega Centauri è probabilmente il nucleo di una galassia nana catturata e smembrata dalla Via Lattea miliardi di anni fa. Il suo buco nero sarebbe quindi un fossile di quella galassia, fermato nella sua crescita quando la galassia fu distrutta. Gli ammassi globulari sono gli stessi oggetti usati per pesare la Via Lattea.
Perché sono importanti
Trovare i buchi neri intermedi aiuta a rispondere a una delle grandi domande dell'astrofisica: come hanno fatto i buchi neri supermassicci a diventare così grandi così presto? Il telescopio spaziale James Webb ha individuato buchi neri di milioni di masse solari in galassie esistite meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. Per crescere così in fretta, dovevano partire da semi già grandi, o fondersi rapidamente tra loro.
Le future missioni, come l'osservatorio spaziale di onde gravitazionali LISA, che l'ESA prevede di lanciare negli anni Trenta, saranno particolarmente sensibili proprio alle fusioni di buchi neri di questa taglia. Anche le galassie nane, come Antlia 2, potrebbero ospitare buchi neri intermedi nascosti.
Anche i buchi neri supermassicci dell'universo giovane pongono domande difficili, come quello scoperto al centro di una ragnatela cosmica di galassie.
Per approfondire si può leggere la voce Intermediate-mass black hole su Wikipedia in inglese. Altri articoli si trovano nella sezione Astronomia.
