Benché non “visti” direttamente, gli astronomi hanno identificato un buon numero di buchi neri con distribuzioni di masse contrapposte. Da un capo ci sono i buchi neri di taglia stellare, con masse sino a 100 volte quella del Sole, all’altro capo ci sono i buchi neri supermassicci che troviamo al centro delle galassie con masse da milioni ad alcuni miliardi di masse solari. Al centro c’è il nulla o quasi. L’Universo davvero non ammette buchi neri di massa intermedia (IMBH), cioè da centinaia a migliaia di masse solari, oppure esistono ma gli astronomi non riescono a trovarli?
Buchi neri di massa stellare
Sappiamo che quelli stellari derivano dal collasso di stelle di almeno 25 masse solari, altrimenti il nucleo si assesta in una stella di neutroni. Questo tipo di buchi neri, se sono parte di un sistema binario, può formarne altri più massicci per coalescenza. Il processo è stato osservato e confermato indirettamente con certe onde gravitazionali, interpretate come fusione di buchi neri di alcune masse solari. Ambienti favorevoli per tali processi sono gli ammassi stellari.
Quelli supermassicci
Rimangono forti dubbi circa la formazione dei buchi neri supermassicci (SMBH). I SMBH si formano per coalescenza gerarchica di tanti buchi neri di taglia stellare, oppure è stato attivo qualche altro processo? Sappiamo che partecipano all’evoluzione delle galassie e che già esistevano nel giovane Universo, perciò è improbabile che derivino dalla fusione di tanti buchi neri più piccoli. I buchi neri di massa intermedia sono un ovvio indizio, forse del processo intermedio in cui i buchi neri stellari si fondono per diventare buchi neri supermassicci.
Gli ammassi globulari
Ricerche abbastanza recenti hanno mostrato come la massa centrale degli ammassi globulari è concentrata in piccole regioni ed è elevata. Questo porta a sospettare che tali oggetti siano dimora di tali elusivi buchi neri. Se non sono oggetti appariscenti è perché interagiscono poco con la materia circostante. Non nutrendosi, non manifestano tutta quella serie di fenomeni che invece sfoderano i SMBH al centro dei nuclei galattici attivi (AGN). Gli ammassi globulari sono molto poveri di gas e la cattura delle stelle è alquanto rara. In generale, se il buco nero non accresce attivamente la materia circostante, non è facile trovarli nelle osservazioni generali, ma gli indizi della sua presenza sono osservabili nel moto delle stelle circostanti.
Sinora i possibili IMBH identificati, mai con certezza assoluta si contano sulle dita di una mano. I due migliori candidati sono 2XMM J215022.4-055108 e XLX-1, entrambi in densi ammassi non della Via Lattea. Altri candidati poco robusti sono stati trovati in ammassi globulari, come per l’ultimo forte candidato che è stato trovato nel famoso Messier 4.
Messier 4 nello Scorpione
M4 è uno degli ammassi globulari più facili da osservare, incastonato in uno spettacolare complesso nebulare vicino alla rossa supergigante Antares. Alla distanza di circa 6000 anni luce, è facilmente risolvibile in stelline anche in piccoli telescopi. Ora avremo un motivo in più d’interesse perché M4 sembra ospitare al centro una massa circa 800 volte quella del Sole attribuita a un raro IMBH da un gruppo di astronomi guidati da Eduardo Vitral dello Space Telescope Science Institute di Baltimora. I risultati sono esposti in un articolo pubblicato su MNRAS.
Il gruppo si è avvalso dei dati collezionati dal Telescopio Spaziale Hubble (HST) per 12 anni e del satellite Gaia per tracciare il moto di 6158 stelle da Gaia EDR3 e 4365 da HST nell’ammasso stellare. “Non puoi fare questo tipo di scienza senza Hubble“, ha detto Vitral. La vicinanza di M4 rende il suo studio non solo particolarmente interessante, ma anche più semplice rispetto ad ammassi più lontani. In effetti, la sua vicinanza consente di misurare una frazione più elevata di stelle con moti propri di alta precisione, con errori spesso ben inferiori alla dispersione della velocità. Questo a sua volta fornisce un numero sufficiente di stelle interne per sondare una possibile massa oscura interna, fornendo una copertura completa sino alle regioni esterne.
Tradito dal noto delle stelle
L’oggetto centrale non può essere visto, ma la sua massa è tradita dal moto delle stelle intrappolate nel suo campo gravitazionale. I dati mostrano che al centro è stipata una massa che compete a un buco nero di massa intermedia, ma non è del tutto certo. I dati di Hubble tendono a escludere teorie alternative, come un ammasso compatto di resti stellari, come stelle di neutroni o buchi neri più piccoli. Il team di ricerca ha valutato vari modelli per escludere la possibilità che molti buchi neri si siano raccolti al centro dell’ammasso stellare, confermando che c’è una grande massa concentrata in una piccola area.
Ammassi simili sarebbero piuttosto instabili e di breve vita e la cosa non si concilia con l’età di M4. Se l’oggetto non è un singolo buco nero di massa intermedia, sarebbero necessari 40 buchi neri più piccoli stipati in uno spazio di appena un decimo di anno luce per produrre i movimenti stellari osservati. Le conseguenze sono una veloce fusione in un singolo buco nero oppure l’espulsione per fionda gravitazionale.
Non ci sono alternative
In assenza di oggetti astrofisici sconosciuti completamente nuovi, un IMBH è la spiegazione più probabile.
“Siamo sicuri di avere una regione molto piccola con molta massa concentrata. È circa tre volte più piccola della massa oscura più densa che avevamo trovato prima in altri ammassi globulari“, dice Vitral. “La regione è più compatta di quanto possiamo riprodurre con simulazioni numeriche quando prendiamo in considerazione un insieme di buchi neri, stelle di neutroni e nane bianche segregate al centro dell’ammasso. Non sono in grado di formare una concentrazione di massa così compatta”.
