Prime righe di emissione dalla periferia del disco di accrescimento di un buco nero supermassiccio

Per la prima volta, i caratteristici doppi picchi nelle linee di emissione rilevate dal cuore di una galassia ci hanno dato la possibilità di esplorare i bordi del disco luminoso che circonda il buco nero centrale. Ciò non solo ha confermato molte cose che sospettavamo sulla regione attorno ai buchi neri supermassicci, ma ha anche consentito misurazioni del disco e del buco stesso.

I buchi neri supermassicci e il materiale che si avvolge a spirale al loro interno, noto come dischi di accrescimento, modellano le loro galassie, ma la maggior parte di ciò che sappiamo su di loro si basa sulla modellizzazione, piuttosto che su osservazioni dirette. C'è troppa ostruzione tra la Terra e il centro della nostra galassia per vedere chiaramente il disco, nonostante i notevoli progressi compiuti dall'Event Horizon Telescope. Nel frattempo, altre galassie sono così lontane che non possiamo risolvere i loro dischi in modo sufficiente per determinarne i confini, per non parlare di cosa sta succedendo ai bordi esterni.

Almeno questo era quello che pensavano gli astronomi, finché le osservazioni della galassia III Zw 002 non hanno prodotto molte più osservazioni del previsto. Lo spettro osservato proveniente da questa galassia a un miliardo di anni luce da noi ha permesso agli astronomi brasiliani di misurare per la prima volta la dimensione del disco di accrescimento attorno a un buco nero supermassiccio. Sono anche riusciti a determinare il suo orientamento rispetto alla Terra e qualcosa sulla distribuzione degli elementi.

Come nel caso delle stelle, i nuclei galattici attivi (AGN), le regioni luminose attorno ai buchi neri, producono luce attraverso lo spettro elettromagnetico dal loro calore e hanno maggiore intensità a lunghezze d’onda specifiche, note come linee di emissione. Le linee di emissione sono il risultato di elettroni, precedentemente energizzati in uno stato eccitato, che ricadono ad un livello energetico inferiore.

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Quando viene rilasciata, ciascuna linea di emissione è specifica per una particolare lunghezza d'onda della luce, caratteristica del gap energetico in cui è caduto l'elettrone, che a sua volta è unico per l'elemento attorno al quale orbita l'elettrone. Tuttavia, quando la sorgente si avvicina o si allontana rapidamente da noi, la lunghezza d’onda viene spostata.

I gas si muovono così velocemente attorno a un buco nero supermassiccio rotante che le linee di emissione da un lato sono viste a lunghezze d'onda leggermente più lunghe causate dall'allontanamento, mentre quelle dall'altro lato sembrano essere leggermente più corte della loro vera lunghezza d'onda. Ciò crea ciò che è noto come doppio picco su entrambi i lati del valore normale della linea di emissione.

Fino ad ora, tali doppi picchi erano stati osservati solo per le emissioni di idrogeno nella luce visibile. Tuttavia, studiando la luce di III Zw 002 utilizzando lo spettrografo del vicino infrarosso Gemini, Denimara Dias dos Santos è rimasta sorpresa nel vederne uno proveniente dall'ossigeno, così come un doppio picco infrarosso proveniente dalla linea dell'idrogeno alfa Paschen. Dias dos Santos, dottorando presso l'Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, conclude che queste emissioni provengono da un'area che si estende a 18,8 giorni luce dal centro del buco nero supermassiccio della galassia. La linea Paschen-alfa ha origine leggermente più all'interno, in un raggio di 16,8 giorni luce.

In confronto, Voyager 1, l’oggetto creato dall’uomo più distante dal Sole, si trova a una distanza pari a meno di un giorno luce.

Il disco nel suo insieme, però, probabilmente si estende molto più in là. Dias dos Santos e colleghi stimano che la regione che produce emissioni si estenda a 52,4 giorni luce. Si tratta della prima stima osservativa ragionevolmente precisa della dimensione di un disco del genere. Non è una distanza per la quale è facile fare paragoni, essendo più di 30 volte oltre le orbite anche degli oggetti più esterni della cintura di Kuiper come "FarFarOut", ma anche meno di un trentesimo della distanza dalla stella vicina più vicina al Sole.

"Non sapevamo prima che III Zw 002 avesse questo profilo a doppio picco, ma quando abbiamo ridotto i dati abbiamo visto il doppio picco molto chiaramente", ha detto in una nota il leader del team, il dottor Alberto Rodriguez-Ardila. "In effetti, abbiamo ridotto i dati molte volte pensando che potesse essere un errore, ma ogni volta abbiamo visto lo stesso risultato entusiasmante."

"Per la prima volta, il rilevamento di tali profili a doppio picco impone vincoli rigorosi alla geometria di una regione che altrimenti non sarebbe possibile risolvere", ha aggiunto Rodriguez-Ardila.