Il telescopio spaziale James Webb osserva il mostruoso buco nero della nostra galassia, la Via Lattea, emettere un bagliore / James Webb Space Telescope watches our Milky Way galaxy's monster black hole fire out a flare

 Il telescopio spaziale James Webb osserva il mostruoso buco nero della nostra galassia, la Via Lattea, emettere un bagliore / James Webb Space Telescope watches our Milky Way galaxy's monster black hole fire out a flare

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un'illustrazione del brillamento nel medio infrarosso che si muove mentre gli elettroni si muovono a spirale attorno ai campi magnetici di Sgr A*. / An illustration of the mid-infrared flare moving as electrons spiral around the magnetic fields of Sgr A*.

"Per ottenere una sensibilità così elevata nell'infrarosso medio, bisogna andare nello spazio, poiché l'atmosfera ostacola gravemente le osservazioni da terra a questa lunghezza d'onda."

Gli astronomi hanno utilizzato il telescopio spaziale James Webb (JWST) per osservare i brillamenti provenienti da Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio nel cuore della Via Lattea, sotto una nuova luce. La nuova modellizzazione di queste osservazioni potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio come i buchi neri generano questi brillamenti, oltre a rivelare il ruolo dei campi magnetici nel plasmare la materia attorno a questi titani cosmici.

Il gruppo, che include Sebastiano von Fellenberg del Max Planck Institute for Radio Astronomy di Bonn, in Germania, ha osservato per la prima volta un brillamento da Sagittarius A* (Sgr A*) nel regime del medio infrarosso. I brillamenti sono stati osservati regolarmente nel regime del vicino infrarosso ed in altre lunghezze d'onda della luce in precedenza, e ciascuna di esse offre una visione diversa degli stessi brillamenti. Questo perché tutti i cambiamenti che si verificano in un brillamento di un buco nero dopo il suo lancio e prima che si esaurisca non sono presenti in tutte le diverse lunghezze d'onda della luce. Pertanto, l'osservazione di un brillamento a diverse lunghezze d'onda può aiutare a comprendere meglio i meccanismi utilizzati dai buchi neri per lanciare i brillamenti e le scale temporali in cui questi si evolvono.

Fino a poco tempo fa, tuttavia, le osservazioni nel medio infrarosso erano un tassello mancante di questo puzzle cosmico. Pertanto, le nuove osservazioni del James Webb Space Telescope (JWST) studiate e modellate dal gruppo, rivelate per la prima volta nel gennaio 2025, contribuiscono a colmare il divario nello spettro dei brillamenti di Sgr A* tra le lunghezze d'onda infrarosse e quelle radio: con lunghezze d'onda nel medio infrarosso.

"I dati nel medio infrarosso sono entusiasmanti, perché, grazie ai nuovi dati JWST, possiamo colmare il divario tra i regimi radio e vicino infrarosso, che era stato un 'buco' nello spettro di Sgr A*", ha detto von Fellenberg a Space.com. "Da un lato, il nostro brillamento nel medio infrarosso sembra un tipico brillamento nel vicino infrarosso, quindi ora sappiamo che i brillamenti si verificano anche nel regime del medio infrarosso – e questo non è banale, poiché, ad esempio, la variabilità radio appare piuttosto diversa e non vediamo picchi pronunciati simili a brillamenti nella curva di luce."

Per la prima volta, ha spiegato, il gruppo è stato in grado di osservare la sorgente a quattro diverse lunghezze d'onda simultaneamente con un unico strumento. Ciò ha permesso loro di misurare quello che è noto come indice spettrale del medio infrarosso.

Arrivare al nocciolo del brillamento dei buchi neri

Uno degli aspetti più noti dei buchi neri è che sono delimitati da una regione esterna chiamata "orizzonte degli eventi", in cui l'influenza gravitazionale di un buco nero diventa così forte che nemmeno la luce si muove abbastanza velocemente da sfuggire alla sua presa ed intraprende un viaggio di sola andata verso la singolarità al suo interno. Ciò significa che i buchi neri non emettono luce o radiazione elettromagnetica.

Per essere onesti, questo potrebbe far sembrare un po' strano studiare Sgr A*, un buco nero con una massa equivalente a quella di oltre 4 milioni di soli, in qualsiasi lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica.

Tuttavia, il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia emette regolarmente lampi di luce. La causa esatta di questi "rutti" non è ancora nota, ma simulazioni di buchi neri supermassicci hanno indicato che potrebbero essere il risultato delle interazioni tra i campi magnetici circostanti. Quando le linee del campo magnetico si toccano e si connettono, viene rilasciata un'enorme quantità di energia e, come sottoprodotto, si libera un tipo di radiazione chiamata "radiazione di sincrotrone".

Il fatto che l'indice spettrale del medio infrarosso del brillamento di Sgr A* cambi nel corso della vita dell'esplosione ha rivelato al gruppo che attorno a Sgr A* si sta verificando un fenomeno chiamato "raffreddamento di sincrotrone". Il raffreddamento di sincrotrone si verifica quando gli elettroni ad alta velocità perdono energia emettendo la suddetta radiazione di sincrotrone. Questa energia alimenta le emissioni nel medio infrarosso osservate.

"In assenza di osservazioni multifrequenza ad alta sensibilità, la presenza di questo comportamento atteso non era stata confermata prima", ha affermato von Fellenberg. "La cosa interessante è che, poiché la velocità di questo raffreddamento, la scala temporale di raffreddamento, dipende dall'intensità del campo magnetico, ora possiamo misurarla per il dato brillamento."

Il ricercatore ha spiegato che, sebbene l'intensità del campo magnetico fosse misurabile con brillamenti nel vicino infrarosso, tali misurazioni non hanno consentito agli scienziati di misurarla indipendentemente da altri parametri, come il numero totale di elettroni nella regione di emissione.

"Questo nuovo metodo per determinare l'intensità del campo magnetico è particolarmente utile perché è piuttosto 'pulito', nel senso che non è necessario basarsi su molte ipotesi per la misurazione", ha continuato von Fellenberg. "Questo è molto utile per i modelli teorici, che sono poco vincolati a questo riguardo per Sgr A*, perché l'intensità del campo magnetico è piuttosto importante."

Gli scienziati hanno spiegato che queste osservazioni non sarebbero state possibili senza il JWST ed, in particolare, senza la modalità operativa Medium-Resolution Spectrometer (MRS) del suo Mid-Infrared Instrument (MIRI).

"Per ottenere una sensibilità così elevata nel medio infrarosso, bisogna andare nello spazio, poiché l'atmosfera ostacola gravemente le osservazioni da Terra a questa lunghezza d'onda", ha affermato von Fellenberg. "Inoltre, lo strumento MIRI/MRS è il primo strumento a fornire una copertura di lunghezza d'onda così ampia per Sgr A*, un prerequisito per misurare l'indice spettrale, quindi è davvero un doppio colpo!"

ENGLISH

"In order to get such high sensitivity in the mid-infrared, one needs to go to space, as the atmosphere severely messes up ground-based observations at this wavelength."

Astronomers have used the James Webb Space Telescope (JWST) to observe flares from Sagittarius A*, the supermassive black hole at the heart of the Milky Way, in a new light. The new modelling of these observations could help scientists get to the bottom of how black holes launch these flares, as well as reveal the role magnetic fields play in sculpting matter around these cosmic titans.

The team, including Sebastiano von Fellenberg of the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, observed flaring from Sagittarius A* (Sgr A*) in the mid-infrared regime for the first time. Flares have been routinely observed in the near infrared regime and in other wavelengths of light before, with each offering a different view of the same flares. That is because all the changes that happen to a black hole flare after its launch and before it fades aren't present in all different wavelengths of light. Thus, observations of a flare in different wavelengths can help better understand the mechanisms black holes use to launch flares and the timescales over which these flares evolve.

Until recently, however, mid-infrared observations have been a missing part of this cosmic jigsaw. Thus, the new James Webb Space Telescope (JWST) observations studied and modeled by the team, first revealed in Jan. 2025, help to bridge the gap in the spectrum of Sgr A* flares between infrared and radio wavelengths: with mid-infrared wavelengths.

"The mid-infrared data is exciting, because, thanks to the new JWST data, we can close the gap between the radio and near infrared regimes, which had been a 'gaping hole' in the spectrum of Sgr A*," von Fellenberg told Space.com. "On the one hand, our mid-infrared flare looks like a typical near-infrared flare, so we now know flares also occur in the mid-infrared regime — and this isn't trivial, as, for instance, the radio variability looks quite different, and we do not see pronounced flare-like peaks in the light curve."

"At the same time," von Fellenberg continued, "the result goes further.

For the first time, he explained, the team was able to observe the source at four different wavelengths simultaneously with a single instrument. This allowed them to measure what's known as the mid-infrared spectral index.

Getting to the bottom of black hole flaring

One of the most famous aspects of black holes is that they are bounded by an outer region called an "event horizon" at which the gravitational influence of a black hole becomes so great that not even light moves fast enough to escape its grip and takes a one-way trip to the singularity at its heart. This means black holes emit no light, or electromagnetic radiation.

To be fair, this may make it seem a little odd to study Sgr A*, a black hole with a mass equivalent to that of over 4 million suns, in any wavelengths of electromagnetic radiation.

However, our galaxy's central supermassive black hole does regularly burp out flares of light. Quite what causes these "burps" isn't yet known, but simulations of supermassive black holes have indicated that it may be the result of interactions between surrounding magnetic fields. When magnetic field lines touch and connect, a vast amount of energy is released and, as a byproduct, this releases a type of radiation called "synchrotron radiation."

The fact that the mid-infrared spectral index of the Sgr A* flare changes over the outburst's lifetime revealed to the team that a phenomenon called "synchrotron cooling" is occurring around Sgr A*. Synchrotron cooling happens when high-speed electrons lose energy by emitting that aforementioned synchrotron radiation. This energy is powering the observed mid-infrared emissions.

"In the absence of high-sensitivity multi-frequency observations, the presence of this expected behavior hadn't been confirmed before," von Fellenberg said. "What is cool about this is that since the speed of this cooling, the cooling time scale, depends on the magnetic field strength, we can now measure it for the given flare."

The researcher explained that though the magnetic field strength had been measurable with near-infrared flares, those measurements didn't allow scientists to measure it independently from other parameters, such as the total number of electrons in the region of the emission.

"This new way of determining the magnetic field strength is particularly useful as it's quite 'clean' in that not a lot of assumptions have to go into the measurement," von Fellenberg continued. "This is very useful for theoretical models, which are poorly constrained in that regard for Sgr A*, because magnetic field strengths are quite important."

The scientists explained that these observations wouldn't have been possible without the JWST, and, in particular, the Medium-Resolution Spectrometer (MRS) operating mode of its Mid-Infrared Instrument (MIRI).

"In order to get such high sensitivity in the mid-infrared, one needs to go to space, as the atmosphere severely messes up ground-based observations at this wavelength," von Fellenberg said. "In addition, the MIRI/MRS instrument is the first instrument to give you such broad wavelength coverage for Sgr A*, a prerequisite to measure the spectral index, so it's really a double whammy!"

Da:

https://www.space.com/astronomy/black-holes/james-webb-space-telescope-watches-our-milky-way-galaxys-monster-black-hole-fire-out-a-flare?utm_term=0D44E3E5-72C8-4F2E-A2B4-93C82DC78FB4&lrh=e4e2966485d78112a6060535462dd7377ffa0f1e6368288dc8552dcea7aac778&utm_campaign=58E4DE65-C57F-4CD3-9A5A-609994E2C5A9&utm_medium=email&utm_content=F84AA119-9805-4409-86EE-E6EB89CD02D5&utm_source=SmartBrief