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Come i buchi neri sono diventati supermassicci

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I buchi neri sono tra i misteri più avvincenti dell’universo. Niente, nemmeno la luce, può sfuggire a un buco nero. E al centro di quasi tutte le galassie c’è un buco nero supermassiccio che è da milioni a miliardi di volte più massiccio del Sole. Comprendere i buchi neri e il modo in cui diventano supermassicci potrebbe far luce sull’evoluzione dell’universo.

Tre fisici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno recentemente sviluppato un modello per spiegare la formazione di buchi neri supermassicci, nonché la natura di un altro fenomeno: la materia oscura. In un articolo pubblicato su Physical Review Letters, i fisici teorici Hooman Davoudiasl, Peter Denton e Julia Gehrlein descrivono una transizione di fase cosmologica che ha facilitato la formazione di buchi neri supermassicci in un settore oscuro dell’universo.

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Una transizione di fase cosmologica è simile a un tipo più familiare di transizione di fase: portare l’acqua ad ebollizione. Quando l’acqua raggiunge la giusta temperatura, erutta in bolle e vapore. Immagina che il processo avvenga con uno stato primordiale della materia. Quindi, sposta il processo al contrario in modo che abbia un effetto di raffreddamento e ingrandiscilo sulla scala dell’universo.

“Prima che esistessero le galassie, l’universo era caldo e denso, e questo è ben stabilito. Il modo in cui l’universo si è raffreddato fino a raggiungere ciò che osserviamo oggi è una questione di interesse perché non abbiamo dati sperimentali che descrivano come sia successo”, ha affermato Peter Denton. “Possiamo prevedere cosa è successo con le particelle conosciute perché interagiscono spesso. Ma cosa succede se ci sono particelle non ancora conosciute là fuori che si comportano in modo diverso?”

Per esplorare questa domanda, il team di Brookhaven ha sviluppato un modello per un settore oscuro dell’universo, dove le particelle ancora da scoprire abbondano e raramente interagiscono. Tra queste particelle potrebbe esserci la materia oscura ultraleggera, che si prevede sia 28 ordini di grandezza più leggera di un protone. La materia oscura non è mai stata osservata direttamente, ma i fisici ritengono che costituisca la maggior parte della materia dell’universo in base ai suoi effetti gravitazionali.

“La frequenza delle interazioni tra particelle conosciute suggerisce che la materia, come la conosciamo, non sarebbe collassata in buchi neri in modo molto efficiente”, ha detto Denton. “Ma, se ci fosse un settore oscuro con materia oscura ultraleggera, l’ universo primordiale avrebbe potuto avere le condizioni giuste per una forma di collasso molto efficiente”.

Osservazioni recenti hanno suggerito che i buchi neri supermassicci si siano formati nell’universo primordiale, molto prima di quanto i fisici pensassero in precedenza. Questa scoperta lascia poco tempo per spiegare la crescita dei buchi neri supermassicci. I fisici sanno che i buchi neri acquisiscono massa principalmente in due modi.

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Un modo, chiamato accrescimento, è quando la materia, principalmente polvere, cade nei buchi neri. Ma c’è un limite alla velocità con cui la materia può accumularsi nei buchi neri attraverso l’accrescimento. Il secondo modo è attraverso le collisioni galattiche, durante le quali due buchi neri possono fondersi; tuttavia, nell’universo primordiale, le galassie stavano appena iniziando a formarsi. Quindi, i fisici sono rimasti a chiedersi come queste antiche meraviglie cosmologiche siano cresciute così massicce e così rapidamente. Le particelle di materia oscura ultraleggera potrebbero essere il pezzo mancante.

“Abbiamo teorizzato come le particelle nel settore oscuro potrebbero subire una transizione di fase che consente alla materia di collassare in modo molto efficiente in buchi neri”, ha detto Denton. “Quando la temperatura dell’universo è giusta, la pressione può improvvisamente scendere a un livello molto basso, permettendo alla gravità di prendere il sopravvento e alla materia di collassare. La nostra comprensione delle particelle conosciute indica che questo processo normalmente non accadrebbe”.

Una tale transizione di fase sarebbe un evento drammatico, anche per qualcosa di così spettacolare come l’universo.

“Questi crolli sono un grosso problema. Emettono onde gravitazionali”, ha detto Denton. “Quelle onde hanno una forma caratteristica, quindi facciamo una previsione per quel segnale e la sua gamma di frequenze prevista”.

Gli attuali esperimenti sulle onde gravitazionali non sono abbastanza sensibili per convalidare la teoria, ma gli esperimenti di prossima generazione potrebbero essere in grado di rilevare i segnali di quelle onde. E sulla base della forma caratteristica delle onde, i fisici potrebbero quindi restringere i dettagli della formazione di buchi neri supermassicci. Fino ad allora, i teorici di Brookhaven continueranno a valutare nuovi dati e perfezionare il loro modello.

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