I buchi neri supermassicci si trovano al centro di quasi tutte le grandi galassie, facendo pendere la bilancia cosmica a milioni o addirittura miliardi di volte la massa del Sole. Come diventino così grandi rimane un mistero ostinato: l'accrescimento di gas dall'ambiente circostante è una via, ma a quanto pare è troppo lento per spiegare gli esempi più grandi. La fusione con altri buchi neri massicci è il candidato principale per la spiegazione mancante.

Le collisioni tra galassie sono comuni in tutto l'universo, quindi anche i loro buchi neri centrali dovrebbero prima o poi incontrarsi. Quando due galassie si fondono, ci si aspetta che i loro buchi neri si avvicinino, inizino a orbitare l'uno attorno all'altro e spiraleggino gradualmente verso l'interno fino a combinarsi. Modellare quelle fasi finali, tuttavia, rimane un grattacapo, e gli astronomi non hanno mai identificato in modo affidabile una coppia di buchi neri supermassicci che orbitano estremamente vicini - nonostante le abbondanti prove di galassie in collisione.

Ora un team di ricerca internazionale guidato da Silke Britzen dell'Istituto Max Planck per la Radioastronomia (MPIfR) di Bonn ha scoperto prove osservative dirette che suggeriscono esattamente una tale coppia al centro della galassia Mrk 501. I risultati sono stati accettati per la pubblicazione su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society e sono previsti in un prossimo numero.

Gli astronomi sanno da tempo che il buco nero centrale di Mrk 501 emette un intenso getto di particelle nello spazio a quasi la velocità della luce, alimentato dalle condizioni estreme e dai potenti campi magnetici che circondano il buco nero. Per indagare il sistema, i ricercatori hanno esaminato dettagliate osservazioni radio a multiple frequenze, raccolte in dozzine di giorni separati nell'arco di circa 23 anni. L'ampio set di dati ha rivelato qualcosa di notevole: accanto al getto familiare c'era un secondo getto il cui movimento poteva anche essere tracciato.

Le osservazioni forniscono quella che i ricercatori chiamano la prima prova di imaging diretto di un tale sistema al centro di una galassia, suggerendo fortemente la presenza di un secondo buco nero supermassiccio. I due buchi neri stessi rimangono troppo vicini nel cielo per essere risolti individualmente.

"Lo abbiamo cercato per così tanto tempo, e poi è arrivato come una completa sorpresa che non solo potessimo vedere un secondo getto, ma persino tracciarne il movimento", riferisce Britzen.

Due buchi neri supermassicci in una danza cosmica

Il getto precedentemente noto è puntato verso la Terra, facendolo apparire eccezionalmente luminoso e relativamente facile da osservare. Il getto appena identificato punta in una direzione diversa, il che aiuta a spiegare perché è rimasto nascosto così a lungo.

In appena poche settimane di osservazioni, gli astronomi hanno notato cambiamenti drammatici nella posizione del secondo getto. Sembrava emergere da dietro il buco nero più grande e spazzare in senso antiorario attorno ad esso. Il movimento si ripeteva, suggerendo che l'intero sistema stesse subendo un moto orbitale regolare.

"Valutare i dati è stato come essere su una nave. L'intero sistema di getti è in movimento. Un sistema di due buchi neri può spiegarlo: il piano orbitale oscilla", spiega Britzen.

I ricercatori hanno anche identificato un evento insolito nel giugno 2022, quando la radiazione del sistema sembrava formare un anello. Questo fenomeno, noto come anello di Einstein, si verifica quando la gravità piega la luce in modo da creare un aspetto ad anello. Una possibile spiegazione: i due buchi neri e la Terra erano brevemente allineati nel modo giusto, con la gravità del buco nero in primo piano che agiva come una lente, piegando la luce del secondo getto dietro di esso. Questo effetto, chiamato lente gravitazionale, offre un altro potenziale indizio sulla natura del sistema.

Due buchi neri potrebbero fondersi in appena 100 anni

Esaminando i cambiamenti nei getti e i pattern ripetuti nella loro luminosità, il team ha calcolato che i due buchi neri sembrano completare un'orbita l'uno attorno all'altro approssimativamente ogni 121 giorni. La loro separazione stimata è di appena 250-540 volte la distanza tra la Terra e il Sole - il che sembra enorme, finché non si ricorda che questi oggetti hanno masse che vanno da 100 milioni