Coppie di buchi neri supermassicci nascosti potrebbero finalmente avere un segnale visibile

Si prevede che queste coppie di buchi neri giganti si formino naturalmente in seguito alla fusione di galassie. Sebbene gli astronomi abbiano identificato alcune coppie di buchi neri supermassicci ampiamente separate, trovare quelle che orbitano molto più vicine si è rivelato molto più difficile.

In uno studio pubblicato su Physical Review Letters , i ricercatori suggeriscono di cercare un segnale distintivo. Mentre i buchi neri orbitano l’uno intorno all’altro, la loro immensa gravità potrebbe amplificare ripetutamente la luce delle stelle situate dietro di essi, creando lampi ricorrenti che potrebbero rivelare i sistemi nascosti.

Le fusioni di galassie creano sistemi binari di buchi neri supermassicci.

La maggior parte delle galassie contiene un buco nero supermassiccio al proprio centro. Quando le galassie collidono e finiscono per fondersi, i loro buchi neri centrali possono legarsi gravitazionalmente, formando quello che gli scienziati chiamano un sistema binario di buchi neri supermassicci.

Questi sistemi sono importanti per comprendere come le galassie si evolvono nel tempo. Si prevede inoltre che generino alcune delle onde gravitazionali più intense dell’universo.

I futuri osservatori spaziali di onde gravitazionali dovrebbero essere in grado di rilevare direttamente questi sistemi binari. Tuttavia, la nuova ricerca suggerisce che gli astronomi potrebbero non dover aspettare. Le indagini celesti esistenti e future potrebbero potenzialmente identificarli attraverso i loro effetti sulla luce visibile.

“I buchi neri supermassicci agiscono come telescopi naturali”, ha affermato il dottor Miguel Zumalacárregui del Max Planck Institute for Gravitational Physics. “Grazie alla loro enorme massa e alle dimensioni compatte, deviano fortemente la luce che li attraversa. La luce stellare proveniente dalla stessa galassia ospite può essere focalizzata in immagini straordinariamente luminose, un fenomeno noto come lente gravitazionale.”

Come la lente gravitazionale crea lampi luminosi

Un singolo buco nero supermassiccio può ingrandire in modo considerevole una stella di sfondo, ma solo quando l’allineamento è quasi perfetto.

Un sistema binario si comporta in modo diverso. Con due buchi neri che agiscono come lenti gravitazionali, la regione in cui può verificarsi un ingrandimento estremo diventa molto più ampia. La coppia crea una caratteristica a forma di diamante nota come curva caustica, dove le stelle possono apparire notevolmente più luminose.

In teoria, una stella puntiforme potrebbe essere ingrandita all’infinito. In realtà, le dimensioni finite delle stelle pongono un limite alla luminosità che l’effetto può raggiungere.

“Le probabilità che la luce stellare venga amplificata enormemente aumentano considerevolmente nel caso di un sistema binario rispetto a quello di un singolo buco nero”, ha affermato il professor Bence Kocsis del Dipartimento di Fisica dell’Università di Oxford e coautore dello studio.

I lampi stellari ripetuti potrebbero rivelare buchi neri nascosti

A differenza di un singolo buco nero, un sistema binario di buchi neri è in continua evoluzione.

Mentre i due buchi neri orbitano l’uno intorno all’altro, perdono gradualmente energia attraverso l’emissione di onde gravitazionali, un processo previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein. Col tempo, questo fa sì che i buchi neri si avvicinino e accelerino la loro orbita.

La studentessa di dottorato Hanxi Wang fa parte del gruppo del professor Kocsis e ha guidato lo studio: “Mentre il sistema binario si muove, la curva caustica ruota e cambia forma, attraversando un grande volume di stelle alle sue spalle. Se una stella brillante si trova all’interno di questa regione, può produrre un lampo straordinariamente luminoso ogni volta che la caustica la attraversa. Questo porta a ripetuti lampi di luce stellare, che forniscono una firma chiara e distintiva di un sistema binario di buchi neri supermassicci.”

Poiché la struttura caustica si sposta continuamente, i lampi risultanti si ripeterebbero più e più volte, creando uno schema riconoscibile che gli astronomi potrebbero ricercare.

Indizi sulla massa e l’orbita dei buchi neri

Il team ha scoperto che la tempistica e l’intensità di questi lampi dovrebbero seguire tendenze prevedibili anziché apparire in modo casuale.

Man mano che le onde gravitazionali restringono lentamente l’orbita, alterano in modo sottile la forma e il movimento della curva caustica. Tali cambiamenti lasciano tracce misurabili sia nella luminosità che nella frequenza dei lampi.

Analizzando questi schemi, i ricercatori sono stati in grado di stimare importanti caratteristiche del sistema binario nascosto, tra cui le masse dei buchi neri e i dettagli della loro evoluzione orbitale.

Si prevede che i nuovi e potenti osservatori, tra cui l’Osservatorio Vera C. Rubin e il Telescopio Spaziale Nancy Grace Roman, amplieranno notevolmente la ricerca di questi eventi di lente gravitazionale ripetitivi nei prossimi anni.

“La prospettiva di identificare sistemi binari di buchi neri supermassicci in fase di avvicinamento anni prima che i futuri rivelatori di onde gravitazionali spaziali entrino in funzione è estremamente entusiasmante”, conclude il professor Kocsis. “Ciò apre le porte a veri e propri studi multimessaggero dei buchi neri, permettendoci di testare la gravità e la fisica dei buchi neri in modi completamente nuovi.”

Hanxi Wang, Miguel Zumalacárregui, Bence Kocsis. Buchi neri come telescopi: alla scoperta di binarie supermassicce attraverso la luce stellare quasiperiodica . Physical Review Letters , 2026; 136 (6) DOI: 10.1103/1sfl-87t4