Rappresentazione artistica del centro di una galassia attiva, in cui un buco nero supermassiccio è nascosto nella brillante regione giallo-bianca al centro. Credits: NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
Da qualche mese, a osservare il cosmo a raggi X c’è un telescopio spaziale in più. Si tratta di XRISM, acronimo di X-ray Imaging and Spectroscopy Mission, missione guidata dall’agenzia spaziale giapponese JAXA con la collaborazione della NASA e della CSA, a cui anche l’ESA ha contribuito.
Poco dopo l’inizio delle sue operazioni scientifiche, lo scorso febbraio, XRISM ha studiato il gigantesco buco nero supermassiccio nel cuore della galassia a spirale NGC 4151, contenente più di 20 milioni di volte la massa del Sole. Questa galassia si trova a circa 43 milioni di anni luce da noi ed è attiva, quindi il suo centro è molto luminoso e variabile.
Lo strumento Resolve di XRISM ha catturato uno spettro dettagliato dell’area attorno al buco nero. I picchi e i cali nello spettro sono come impronte digitali chimiche, che possono dire agli scienziati quali elementi sono presenti. Oltre che rivelare indizi sul destino della materia mentre si avvicina al punto di non ritorno di questo enorme mostro celeste. In particolare, XRISM ha individuato la presenza di ferro, uno degli elementi più pesanti prodotti in natura.
Una galassia attiva è caratterizzata da una luminosità e da un’emissione di energia molto più intense rispetto alle galassie normali. Questa emissione proviene dal buco nero supermassiccio nel suo centro: gas e la polvere che vorticano verso il buco nero formano un disco di accrescimento attorno ad esso, e si riscaldano attraverso le forze gravitazionali e di attrito. Durante questo processo, viene emessa una grande quantità di energia, inclusa luce visibile, raggi X e raggi gamma.
Parte della materia sull’orlo del buco nero, inoltre, forma due getti gemelli di particelle che esplodono da ciascun lato del disco quasi alla velocità della luce. Una nuvola gonfia di materiale a forma di ciambella, chiamata toro, circonda il disco di accrescimento.
NGC 4151 è una delle galassie attive più vicine conosciute. Altre missioni, tra cui l’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA e il telescopio spaziale Hubble , lo hanno studiato per saperne di più sull’interazione tra i buchi neri e l’ambiente circostante, che può dire agli scienziati come i buchi neri supermassicci nei centri galattici crescono nel tempo cosmico.
La galassia è insolitamente luminosa nei raggi X, il che la rende un bersaglio ideale per XRISM.
Lo spettro di NGC 4151 ottenuto con Resolve rivela un picco netto a energie appena inferiori a 6.5 keV (kiloelettronvolt). Si tratta di una linea di emissione di ferro. Il ferro è uno degli elementi chimici più pesanti nell’Universo, la sua presenza può essere confermata attraverso le emissioni di raggi X: la materia che compone il disco di accrescimento viene riscaldata a temperature molto elevate. In queste condizioni, gli atomi di ferro nell’accrescimento emettono raggi X caratteristici, che possono essere rilevati.
La presenza e la distribuzione del ferro nelle emissioni di raggi X possono fornire informazioni cruciali sulle proprietà del disco di accrescimento e sulla dinamica delle regioni vicine al buco nero. Ad esempio, la larghezza delle linee di emissione del ferro può indicare la velocità del materiale nel disco di accrescimento e la temperatura del gas circostante.
Lo spettro Resolve di NGC 4151 mostra anche diversi cali intorno a 7 keV. A causarli potrebbe essere stato il ferro situato nel toro attraverso l’assorbimento dei raggi X, piuttosto che l’emissione, perché il materiale è molto più freddo che nel disco. Tutta questa radiazione è circa 2500 volte più energetica della luce che possiamo vedere con i nostri occhi.
Il ferro è solo uno degli elementi che XRISM può rilevare. Il telescopio può anche individuare zolfo, calcio, argon e altri, a seconda della fonte. Ognuno ci racconta una parte della storia di questa e altre galassie, e dei fenomeni cosmici a raggi X.
