Gli astronomi classificano i buchi neri in due tipi: i giganti supermassicci al centro delle galassie e i buchi neri di massa stellare più piccoli, che derivano dalle supernovae di stelle massicce.
Prima dell'era dei rilevatori di onde gravitazionali, il buco nero di massa stellare più grande conosciuto aveva poco più di una dozzina di volte la massa del Sole. Questo era logico, poiché le supernovae violente che creano questi buchi neri spesso espellono gran parte della massa della stella nello spazio, lasciando solo una frazione dietro di sé a collassare in un buco nero. Tuttavia, l'afflusso di dati dalle osservazioni di onde gravitazionali ha rivelato molti buchi neri con masse che superano di gran lunga questa dimensione, anche se tipicamente sono stati rilevati solo durante collisioni con altri buchi neri.
Ora, la missione Gaia ha fornito prove osservative del secondo più grande buco nero nella nostra galassia, con una massa 33 volte quella del Sole. Situato a soli 2.000 anni luce di distanza.
I buchi neri di massa stellare, sebbene massicci, non sono particolarmente grandi secondo gli standard cosmici. Le stelle che lasciano dietro di sé buchi neri spesso conducono vite turbolente, perdendo gran parte della loro massa prima della loro esplosiva fine in una supernova, che riduce ulteriormente la massa che forma il buco nero. Il pensiero tradizionale suggeriva che questi fattori limitassero la dimensione potenziale di un buco nero di massa stellare alla formazione.
Tuttavia, le scoperte tramite rilevatori di onde gravitazionali hanno messo in discussione questa nozione, indicando che i buchi neri possono effettivamente raggiungere dimensioni maggiori attraverso meccanismi come l'accrezione o le fusioni. Questi rilevamenti, però, offrono poche informazioni sulla crescita storica dei buchi neri.
In questo contesto, la scoperta di Gaia BH3, una designazione scelta per semplicità rispetto al suo identificatore completo Gaia DR3 4318465066420528000, è particolarmente notevole. Questo buco nero risiede pacificamente in un sistema binario, rilevato attraverso la sua influenza gravitazionale sulla stella compagna.
La missione Gaia, un'iniziativa dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), mappa le stelle della Via Lattea attraverso ripetute immagini da diverse prospettive, raccogliendo anche dati sulla loro luce per dedurre attributi come età e composizione. Questi dati possono rivelare i movimenti relativi delle stelle, inclusi quelli causati da interazioni orbitali indicative di sistemi binari o esopianeti.
Durante i preparativi per il quarto rilascio di dati da Gaia, i ricercatori che conducevano test di validazione sul software di rilevamento binario si sono imbattuti in Gaia BH3. L'importanza della scoperta li ha spinti a pubblicare la loro scoperta prima del rilascio completo dei dati, citando la sua importanza unica per la comunità scientifica.
Ogni stella nella galassia si muove rispetto alle altre, orbitando attorno al centro galattico e influenzata da interazioni passate, come incontri gravitazionali o l'assimilazione di galassie più piccole nella Via Lattea. Questi movimenti cambiano generalmente solo su scale temporali estese, ma le stelle in sistemi binari mostrano movimenti orbitali periodici sovrapposti alle loro traiettorie galattiche generali.
La stella in coppia con Gaia BH3 ha una massa simile a quella del Sole ma mostra oscillazioni indicative di un'orbita mutua con un compagno invisibile—probabilmente un buco nero, come dedotto dai dati di Gaia. L'analisi della massa e della dinamica orbitale della stella visibile ha permesso ai ricercatori di stimare la massa del compagno a circa 32 masse solari, una cifra successivamente confermata e aggiustata a poco meno di 33 masse solari attraverso osservazioni telescopiche dalla Terra.
Questa massa lo rende il più grande buco nero non supermassiccio conosciuto nella Via Lattea, occupando una gamma precedentemente difficile da spiegare, che si presumeva risultasse dalle supernovae.
La scoperta di Gaia BH3 può anche fornire spunti sulla formazione di buchi neri di grandi dimensioni. La teoria che le stelle con meno elementi pesanti (metalli) possano produrre buchi neri più grandi trova qui un nuovo riscontro. Le stelle con bassa metallicità perdono meno materiale nelle loro fasi esplosive finali, lasciando potenzialmente più massa da collassare in un buco nero.
La composizione della compagna stellare di Gaia BH3 suggerisce un'origine simile povera di metalli per il buco nero stesso, poiché le stelle in sistemi binari sono tipicamente nate dallo stesso materiale e condividono composizioni simili. Questo è particolarmente sorprendente dato che meno del cinque percento delle stelle nel alone galattico, dove risiede Gaia BH3, sono povere di metalli.
Sebbene questa scoperta sia avvincente, sono necessari ulteriori esempi per consolidare la teoria della formazione di buchi neri di alta massa. Gli autori del rapporto ritengono che le prossime pubblicazioni della missione Gaia riveleranno altri sistemi binari che ospitano buchi neri, potenzialmente confermando questo schema.
