Perché un buco nero supermassiccio si sta spegnendo così rapidamente come mai prima

Un quasar ai confini dell'universo osservabile sta scomparendo davanti ai nostri occhi

Ai margini dell'universo osservabile, gli scienziati hanno individuato un buco nero supermassiccio che sta attraversando una trasformazione spettacolare nell'arco di appena due decenni. La velocità con cui si sta spegnendo ha lasciato senza parole persino gli astronomi più esperti.

L'oggetto noto come quasar J0218−0036 si trova così lontano che la sua luce impiega circa 10 miliardi di anni per raggiungerci. Eppure gli astronomi sono riusciti a osservare come, nel corso di soli vent'anni, la sua luminosità sia crollata quasi completamente — come se qualcuno avesse improvvisamente interrotto l'alimentazione di un gigantesco motore cosmico.

I quasar sono nuclei galattici di straordinaria luminosità, alimentati da buchi neri supermassicci. Per lungo tempo si è creduto che questi oggetti brillassero per milioni di anni con intensità sostanzialmente costante. Il caso del quasar J0218−0036 sovverte questo modello, suggerendo che i buchi neri più massicci possano cambiare comportamento molto più rapidamente di quanto si pensasse.

Come gli astronomi hanno scoperto il quasar spentosi in vent'anni

Il gruppo di ricerca guidato da Tomoki Morokuma dell'Istituto Tecnico di Chiba ha analizzato i dati provenienti da due grandi survey del cielo, SDSS e Hyper Suprime-Cam. I ricercatori hanno esaminato con attenzione ben 31.549 quasar nella stessa regione di cielo, confrontandone la luminosità a distanza di anni o decenni.

Da questa selezione preliminare hanno identificato 57 oggetti che avevano perso significativamente luminosità. Uno solo di essi si comportava in modo così estremo da posizionarsi al primo posto tra i candidati più interessanti. Il quasar J0218−0036 aveva perso oltre tre magnitudini di luminosità nella luce visibile, corrispondenti a una riduzione del flusso luminoso fino a quindici volte.

Nelle immagini d'archivio si distingue un punto bluastro brillante, tipico di un quasar attivo. Nelle fotografie più recenti, invece, l'oggetto è così debole che la galassia ospite circostante risulta sempre più visibile. Dal punto di vista degli astronomi, è come se il motore del nucleo galattico fosse passato dalla massima potenza al minimo dei giri.

Perché non si tratta di una nuvola di polvere, ma di un vero spegnimento

Una semplice variazione di luminosità in una singola banda non è sufficiente a confermare un reale rallentamento dell'attività del buco nero. Un fenomeno del genere potrebbe essere spiegato, ad esempio, da una nuvola di polvere che oscura temporaneamente l'oggetto dalla nostra prospettiva. Per questo motivo il team di Morokuma ha utilizzato dati provenienti da telescopi che operano in bande diverse dello spettro elettromagnetico.

Le curve di luce degli ultimi circa vent'anni mostrano un trend decrescente costante e pronunciato. La luminosità del quasar cala non solo nella luce visibile, ma anche nella banda infrarossa dello spettro. Decisive si sono rivelate le misurazioni dei telescopi spaziali Spitzer e WISE, che operano proprio nell'infrarosso.

Se si affievolisce anche la radiazione proveniente dal toroide di polvere calda che circonda il buco nero, significa che l'intero sistema riceve meno energia. Non si tratta quindi di un semplice oscuramento da parte di un velo di polvere, ma di un cambiamento reale nell'attività. Gli spettrografi dei grandi telescopi hanno fornito ulteriori prove: i ricercatori hanno confrontato lo spettro di J0218−0036 al momento della survey SDSS con quello ottenuto nel 2022 tramite lo strumento LRIS al telescopio Keck.

• La luminosità del quasar è diminuita in tutte le bande spettrali misurate simultaneamente
• Le caratteristiche righe di emissione del gas nelle vicinanze del buco nero si sono notevolmente indebolite
• Le misurazioni infrarosse di Spitzer e WISE hanno confermato il calo di energia nell'intero sistema
• Il rapporto con il limite di Eddington è sceso da 0,4 a soli 0,008
• I modelli statistici privilegiano nettamente lo scenario di un reale calo dell'accrescimento di materia
• I dati provenienti da sei epoche di osservazione diverse hanno escluso l'ipotesi di uno schermo di polvere variabile

Cosa rivelano le misurazioni multibanda sul buco nero

Gli astrofisici hanno combinato dati provenienti da sei epoche di osservazione diverse, coprendo un intervallo che va dall'ottico al medio infrarosso. Hanno separato il contributo del nucleo luminoso da quello più tranquillo della galassia ospite, testando poi due modelli distinti. Il primo prevedeva un vero calo di luminosità del quasar, causato dalla riduzione della materia che cade verso il buco nero. Il secondo ipotizzava uno schermo di polvere variabile che smorzasse progressivamente la luce nel suo viaggio verso la Terra.

In entrambe le analisi statistiche indipendenti, ha vinto nettamente lo scenario del reale calo di potenza. Gli autori dello studio affermano senza ambiguità che l'indebolimento delle emissioni è spiegato al meglio da una brusca riduzione del tasso di accrescimento, ovvero del flusso di materia verso il buco nero supermassiccio.

Questo emerge con chiarezza nel cosiddetto rapporto di Eddington, che confronta la luminosità attuale con la potenza teorica massima dell'oggetto. Nel caso di J0218−0036, questo indicatore è precipitato da circa 0,4 a soli 0,008. In parole semplici, il quasar è passato improvvisamente da uno stato molto attivo a uno stato di attività appena percettibile.

Cosa ci racconta questo caso sulla vita dei buchi neri giganteschi

Fino ad ora gli astronomi associavano i buchi neri supermassicci a un'evoluzione lenta, distribuita su milioni di anni. La storia di J0218−0036 suggerisce invece che, almeno in certi casi, questi colossi possano cambiare radicalmente comportamento nell'arco di pochi anni, dal loro punto di vista locale.

Dalla prospettiva di un osservatore sulla Terra, il calo di luminosità si distribuisce su circa cinque anni e mezzo. Tenendo però conto dell'espansione dell'universo, nel sistema di riferimento del quasar l'intera trasformazione è durata meno di due anni. Per i modelli dei dischi di accrescimento si tratta di un intervallo di tempo brevissimo, inferiore ai tempi di risposta tipici previsti per questo tipo di strutture gassose.

Un'estinzione così rapida dell'attività costringe i teorici a rivedere le proprie idee su come avvenga, concretamente, l'interruzione del flusso di gas verso un buco nero supermassiccio. Con lo spegnimento del nucleo galattico, gli astronomi hanno potuto finalmente osservare meglio la galassia che lo circonda: la sua massa stellare raggiunge circa 1,4 × 10¹¹ masse solari, una dimensione tipica per le grandi galassie dell'universo lontano.

Il tasso di formazione stellare in questa galassia si è però rivelato piuttosto basso. Non è certo la fabbrica di stelle che ci si aspetterebbe da un oggetto di tale massa in un'epoca così remota. Questo suggerisce che il quasar stia perdendo potenza in un ambiente già relativamente tranquillo, non durante uno spettacolare scontro tra galassie o un turbolento afflusso di gas.

Perché questo quasar affascina tanto la comunità scientifica

J0218−0036 rappresenta un esempio raro di buco nero supermassiccio colto nel bel mezzo di un cambiamento di regime. Di solito gli astronomi osservano soltanto lo stato attivo o quello quiescente, cercando poi di ricostruire la storia dell'oggetto a ritroso.

Grazie a questo caso, gli scienziati possono calibrare meglio le simulazioni numeriche che descrivono la crescita dei buchi neri e la loro influenza sull'ambiente circostante. Se spegnimenti così bruschi avvengono più spesso di quanto si credesse, la vita di un buco nero supermassiccio assomiglia più a una serie di brevi fiammate che a un'unica, lunga illuminazione continua.

Al centro della nostra galassia, la Via Lattea, risiede anch'esso un buco nero supermassiccio, Sagittarius A*. Oggi è silenzioso, ma le tracce nel gas e nella polvere indicano che in passato potrebbe essere stato molto più attivo. Il caso J0218−0036 dimostra che una simile transizione può avvenire in tempi sorprendentemente brevi.

Se i buchi neri passano così facilmente tra fasi di quiete e di intensa attività, l'interpretazione della storia della Via Lattea e di altre galassie diventa notevolmente più complessa. Un'istantanea scattata in un preciso momento della storia cosmica non è sufficiente a raccontare l'intera vicenda del loro passato.

Quali ricerche future porteranno nuove risposte

Gli scienziati sperano che i nuovi ampi survey del cielo, come i programmi osservativi previsti dall'Osservatorio Vera Rubin, permettano di individuare molti altri casi simili. Maggiore è il campione, più è possibile determinare se J0218−0036 sia una rara eccezione o semplicemente il primo esempio ben documentato di un fenomeno molto più diffuso.

Vale inoltre la pena sottolineare che questi nuclei galattici variabili influenzano tutto ciò che li circonda: modificano la temperatura del gas, le condizioni per la formazione di nuove stelle e, su scala cosmica, persino la distribuzione statistica dei tipi di galassie. Capire quando e come i buchi neri interrompono il proprio rifornimento di materia ha quindi conseguenze molto concrete per il quadro evolutivo dell'universo che gli astrofisici stanno costruendo.

Osservazioni future con strumenti di nuova generazione come il James Webb Space Telescope o l'europeo Extremely Large Telescope potrebbero offrire una visione molto più dettagliata dei meccanismi che governano l'attività dei buchi neri supermassicci. Forse presto scopriremo che questi giganti cosmici cambiano comportamento molto più frequentemente di quanto oggi riusciamo a immaginare.