Rappresentazione artistica di un buco nero supermassiccio con un’emissione di raggi X proveniente dalla sua regione interna (rosa) e venti ultra-veloci (linee viola chiaro) che si sprigionano dal disco circostante. Crediti: ESA
Al centro di quasi tutte le galassie si trova un buco nero supermassiccio, con una massa che va da milioni fino a decine di miliardi di volte quella del Sole.
In molte galassie, la materia che cade verso il buco nero si riscalda e rilascia un’enorme quantità di energia, secondo la celebre equazione di Einstein E=mc². Questo processo è estremamente efficiente e può generare una luminosità fino a 100–1000 volte superiore a quella dell’intera galassia ospite.
Quando si verifica questo fenomeno, parliamo di nucleo galattico attivo (AGN). Nelle manifestazioni più luminose ed estreme, questi oggetti prendono il nome di quasar, tra gli oggetti più brillanti e potenti dell’Universo.
Quasar, Buchi Neri e Galassie: una lunga tradizione di ricerca
All’Osservatorio abbiamo una lunga tradizione nello studio delle proprietà dei quasar, sia locali che lontani, fino all’epoca della reionizzazione. Li osserviamo in tutto lo spettro elettromagnetico — dalle onde millimetriche ai raggi X — utilizzando i più grandi telescopi a terra e nello spazio.
La nostra ricerca si articola in due approcci complementari: da un lato, analizziamo nel dettaglio oggetti peculiari o piccoli campioni selezionati con cura; dall’altro, conduciamo studi statistici su larga scala basati su ampi programmi di survey.
Parallelamente, studiamo anche le galassie che ospitano buchi neri supermassicci, per capire se — e in che modo — la presenza del buco nero influenzi le loro proprietà. Questo avviene principalmente tramite analisi statistiche basate su dati di survey, in progetti di punta come COSMOS, Euclid, JWST e i futuri LSST e missioni simili.
Una delle scoperte più importanti degli ultimi 20–30 anni in astronomia extragalattica è l’esistenza di una relazione di scala tra la massa di una galassia e quella del buco nero supermassiccio al suo centro. Questo rapporto è di circa 1 a 1000: le galassie più massicce ospitano i buchi neri più grandi. Una scoperta straordinaria, se si pensa che mette in relazione fenomeni che avvengono su scale enormemente diverse (un fattore di 10⁶, come dire che un evento in una stanza potrebbe influenzare l’intero pianeta).
I buchi neri supermassicci, infatti, possono influenzare profondamente l’evoluzione della galassia che li ospita. Uno dei meccanismi più efficaci con cui interagiscono è l’emissione di potenti venti e outflow, ovvero flussi di materia accelerata dalla gigantesca pressione di radiazione generata dal buco nero.
Il nostro team sviluppa anche modelli teorici per la formazione dei buchi neri supermassicci e delle galassie, inclusi i primi quasar dell’epoca della reionizzazione, con l’obiettivo di comprendere i principali processi fisici che regolano la loro formazione e (co-)evoluzione nel corso delle epoche cosmiche. Questi modelli sono ancorati ai dati osservativi: servono non solo per interpretarli, ma anche per definire gli obiettivi scientifici e i requisiti tecnici di future missioni e strumenti. Inoltre, permettono di fare previsioni sulle sorgenti di onde elettromagnetiche e gravitazionali provenienti dalle regioni dell’Universo ancora inesplorate.
Illustrazione artistica di un buco nero supermassiccio circondato da un disco di accrescimento brillante e che lancia nello spazio getti di particelle ad alta energia e venti. Credit: ESA
Come cresce un buco nero?
La materia si accumula formando un disco di accrescimento, spiraleggiando verso il buco nero supermassiccio (SMBH) fino a esserne catturata. Durante questo processo, l’attrito riscalda la materia a temperature etremamente elevate, facendole emettere radiazione nelle bande ottica, ultravioletta e X.
Rappresentazione artistica di un vento multifase guidato da un AGN, che ne illustra le diverse fasi e scale spaziali: dal motore centrale (<1pc; a), attraverso il mezzo interstellare (1pc-1kpc; b), fino ai confini della galassia ospite (>10kpc; c). Crediti: Cicone et al. 2018 Nat. As. 2, 176.
Una delle nostre principali attività di ricerca è la scoperta e caratterizzazione dei venti generati dai buchi neri, fenomeni complessi che si sviluppano su più scale spaziali — dal nucleo galattico fino all’intera galassia ospite — e in diverse fasi fisiche: neutra, ionizzata e molecolare. Si tratta di un campo in rapida espansione, al centro dell’attenzione delle osservazioni condotte con i principali telescopi al mondo. Il nostro team è fortemente impegnato in questo ambito, sia dal punto di vista osservativo che teorico, ricoprendo ruoli di leadership all’interno di importanti collaborazioni internazionali.
Attività in corso
- Studio dell’origine e crescita iniziale dei primi buchi neri supermassicci e loro co-evoluzione con le galassie ospiti
- Studio della natura dei progenitori dei buchi neri supermassicci, i semi da cui si sono sviluppati
- Analisi delle tracce osservative (imprints) lasciate dai primi buchi neri semi nelle varie bande elettromagnetiche e delle onde gravitazionali
- Studio delle proprietà della popolazione di AGN e Quasar all’alba cosmica
- Analisi e caratterizzazione delle funzioni di luminosità degli AGN a redshift z>4 e del loro contributo al processo di reionizzazione
- Censimento dei buchi neri supermassicci non locali e studio dell’accrescimento oscurato che contribuisce al fondo cosmico a raggi X, mediante osservazioni dirette in X duri di AGN in campi extragalattici a profondità intremedia
- Studio della co.evoluzione tra galaxxie e AGN attraverso modelli semi-analitici e simulazioni numeriche
Il team di ricerca
Angela Bongiorno
Antonello Calabrò
Nazanin Davari
Nicola Menci
Fabrizio Nicastro
Enrico Piconcelli
Rosa Valiante
Luca Zappacosta