Supermassiccio buco nero supermassiccio “diverso da qualsiasi cosa vista prima”

Uno strano ponte largo 200.000 anni luce collega la galassia al buco nero in fuga

L’universo è così volubile che anche le cose più piccole che potrebbero passare inosservate possono avere profonde implicazioni. Questo è quello che è successo all’astronomo di Yale Peter van Dokkum durante le sue ricerche[{” attribute=””>Hubble Space Telescope images and noticed a suspected blemish that looked like a scratch on photographic film. For Hubble’s electronic cameras, cosmic rays skimming along the detector look like “scratches.” But once spectroscopy was done on the oddball streak van Dokkum realized it was really a 200,000-light-year-long chain of young blue stars located over halfway across the universe! van Dokkum and his colleagues believe that it stretches between a runaway monster back hole and the galaxy it was ejected from. The black hole must be compressing gas along its wake, which condenses to form stars. Nothing like it has ever been seen anywhere else in the universe before.

This is an artist’s impression of a runaway supermassive black hole that was ejected from its host galaxy as a result of a tussle between it and two other black holes. As the black hole plows through intergalactic space it compresses tenuous gas in front to it. This precipitates the birth of hot blue stars. This illustration is based on Hubble Space Telescope observations of a 200,000-light-year-long “contrail” of stars behind an escaping black hole. Credit: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Hubble Space Telescope Sees Possible Runaway Black Hole Creating a Trail of Stars

There’s an invisible monster on the loose, barreling through intergalactic space so fast that if it were in our solar system, it could travel from Earth to the Moon in 14 minutes. This supermassive black hole, weighing as much as 20 million Suns, has left behind a never-before-seen 200,000-light-year-long “contrail” of newborn stars, twice the diameter of our Milky Way galaxy. It’s likely the result of a rare, bizarre game of galactic billiards among three massive black holes.

Rather than gobbling up stars ahead of it, like a cosmic Pac-Man, the speedy black hole is plowing into gas in front of it to trigger new star formation along a narrow corridor. The black hole is streaking too fast to take time for a snack. Nothing like it has ever been seen before, but it was captured accidentally by NASA’s Hubble Space Telescope.

“We think we’re seeing a wake behind the black hole where the gas cools and is able to form stars. So, we’re looking at star formation trailing the black hole,” said Pieter van Dokkum of Yale University in New Haven, Connecticut. “What we’re seeing is the aftermath. Like the wake behind a ship we’re seeing the wake behind the black hole.” The trail must have lots of new stars, given that it is almost half as bright as the host galaxy it is linked to.

Il buco nero si trova a un’estremità del pilastro, che si estende nella sua galassia madre. C’è un nodulo notevolmente luminoso di ossigeno ionizzato all’estremità esterna del pozzo. I ricercatori pensano che il gas possa essere scioccato e riscaldato dal movimento del buco nero che si scontra con il gas, o potrebbe essere la radiazione di un disco di accrescimento attorno al buco nero. “Il gas di fronte viene scioccato da questo impatto supersonico e dall’alta velocità del buco nero che si muove attraverso il gas. Non si sa esattamente come funzioni”, ha detto Van Dokkum.

“Questa è pura serendipità, ci siamo appena imbattuti”, ha aggiunto Van Dokkum. Stava cercando ammassi globulari in una vicina galassia nana. “Stavo solo scansionando l’immagine di Hubble e poi ho notato che c’era una piccola striscia. Ho subito pensato: ‘Oh, un raggio cosmico sta colpendo il rilevatore della fotocamera e sta causando un artefatto di imaging lineare’. Quando abbiamo rimosso i raggi cosmici ci siamo resi conto che erano ancora lì. Non sembrava niente. L’abbiamo già visto prima.”

Questa immagine d’archivio del telescopio spaziale Hubble cattura una strana caratteristica lineare così insolita che è stata inizialmente liquidata come un artefatto di imaging dalle fotocamere di Hubble. Ma le successive osservazioni spettroscopiche rivelano una serie di giovani stelle blu di 200.000 anni luce di diametro. C’è un buco nero supermassiccio sulla punta del ponte in basso a sinistra. Il buco nero è stato espulso dalla galassia in alto a destra. Il gas si è compresso nella sua scia, lasciando una lunga scia di giovani stelle blu. Niente di simile è mai stato visto nell’universo prima. Questo evento insolito si è verificato quando l’universo aveva circa la metà della sua età attuale. Crediti: Scienza: NASA, ESA, Peter van Dokkum (Yale), Elaborazione delle immagini: Joseph DiPascual (STScI)

Poiché era così strano, Van Dokkum e il suo team hanno eseguito una spettroscopia di follow-up con gli osservatori WM Keck alle Hawaii. Descrive la traccia stellare come “molto sorprendente, molto luminosa, molto insolita”. Ciò ha portato alla conclusione che stava osservando gli effetti di un buco nero che rimbalza attraverso un alone di gas che circonda la galassia ospite.

Questo razzo intergalattico è probabilmente il risultato di molteplici collisioni di buchi neri supermassicci. Gli astronomi ritengono che le prime due galassie si siano fuse forse 50 milioni di anni fa. Questo ha combinato due buchi neri supermassicci al loro centro. Hanno orbitato l’uno intorno all’altro come un buco nero binario.

Poi è arrivata un’altra galassia con il suo buco nero supermassiccio. Questo segue l’antico linguaggio: “una compagnia di due e una folla di tre”. I tre buchi neri che si mescolano insieme hanno dato luogo a una formazione caotica e instabile. Un buco nero ha privato l’altro buco nero della sua quantità di moto ed è stato espulso dalla galassia ospite. Forse il binario originale è rimasto intatto, o forse il nuovo buco nero intermedio ha sostituito uno dei due che erano nel binario originale, espellendo il compagno precedente.

Quando il singolo buco nero è esploso in una direzione, i buchi neri binari sono esplosi nella direzione opposta. Una caratteristica vista sul lato opposto della galassia ospite potrebbe essere il buco nero binario in fuga. La prova circostanziale di ciò è la mancanza di segni di un buco nero attivo rimasto nel nucleo galattico. Il prossimo passo è fare osservazioni di follow-up con la NASA[{” attribute=””>James Webb Space Telescope and the Chandra X-ray Observatory to confirm the black hole explanation.

NASA’s upcoming Nancy Grace Roman Space Telescope will have a wide-angle view of the universe with Hubble’s exquisite resolution. As a survey telescope, the Roman observations might find more of these rare and improbable “star streaks” elsewhere in the universe. This may require machine learning using algorithms that are very good at finding specific weird shapes in a sea of other astronomical data, according to van Dokkum. 

The research paper was published on April 6 in The Astrophysical Journal Letters.

Reference: “A Candidate Runaway Supermassive Black Hole Identified by Shocks and Star Formation in its Wake” by Pieter van Dokkum, Imad Pasha, Maria Luisa Buzzo, Stephanie LaMassa, Zili Shen, Michael A. Keim, Roberto Abraham, Charlie Conroy, Shany Danieli, Kaustav Mitra, Daisuke Nagai, Priyamvada Natarajan, Aaron J. Romanowsky, Grant Tremblay, C. Megan Urry and Frank C. van den Bosch, 6 April 2023, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/acba86

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA. NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, manages the telescope. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy, in Washington, D.C.