Come si formano i buchi neri supermassicci?

C'è una spiegazione di lunga data per questo mistero, nota come teoria del collasso diretto, in cui si ipotizza che gli antichi buchi neri siano diventati supermassicci senza attraversare lo stadio di supernova

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Gli astronomi pensano di avere un’idea piuttosto precisa sull’origine della maggior parte dei buchi neri: una stella massiccia muore e si trasforma in una supernova, la massa rimanente (se ce n’è abbastanza) collassa sotto la forza della propria gravità, formando un  buco nero di dimensioni che vanno dalle cinque alle cinquanta volte la massa del nostro Sole.

Ciò che questa storia non riesce a spiegare è come nascono i buchi neri supermassicci, che vanno da 100.000 a decine di miliardi di volte la massa del Sole.


Sembra che vi sia uno di questi mostri al centro di quasi tutte le galassie dell’universo e alcuni esistono da quando l’universo aveva solo 690 milioni di anni. In termini cosmici, è praticamente un battito di ciglia, un tempo insufficiente perché una stella nasca, consumi il suo ciclo di vita, collassi in un buco nero e divori abbastanza massa da diventare supermassiccio.

C’è una spiegazione di lunga data per questo mistero, nota come teoria del collasso diretto, in cui si ipotizza che gli antichi buchi neri siano diventati supermassicci senza attraversare lo stadio di supernova.

Ora una coppia di ricercatori della Western University in Ontario, Canada, Shantanu Basu e Arpan Das, ha trovato alcune prove osservative solide per confermare la teoria. Secondo quanto riportato in un articolo pubblicato il mese scorso su The Astrophysical Journal Letters, le hanno trovate guardando i quasar.

I quasar sono buchi neri supermassicci che assorbono continuamente materia, accumulandone grandissime quantità; vengono chiamati così perché le cose che vi cadono dentro emettono radiazioni luminose, rendendoli più facili da osservare rispetto a molti altri tipi di buchi neri. La distribuzione delle loro masse è l’indicatore principale di come si sono formati.

Dopo aver analizzato quell’informazione, Basu e Das hanno proposto che i buchi neri supermassicci potrebbero essere sorti da una reazione a catena. Non è ancora chiaro cosa abbia scatenato la nascita di quei buchi neri, ma pensano di sapere cosa è successo dopo. Ogni volta che uno dei buchi neri nascenti assorbiva nuova materia, irradiava energia, che riscaldava le nubi di gas vicine.

Una nube di gas caldo collassa più facilmente di una fredda; dopo ogni pasto più grande, il buco nero ha emesso più energia, riscaldando altre nuvole di gas e così via. Questa ipotesi si adatta bene alle conclusioni di molti astronomi, convinti che la popolazione di buchi neri supermassicci sia aumentata a un ritmo esponenziale nell’infanzia dell’universo.

Ma ad un certo punto, la reazione a catena si è fermata. Mentre sempre più buchi neri – e stelle e galassie – nascevano e cominciavano a irradiare energia e luce, le nubi di gas sono evaporate. “La radiazione globale nell’universo è diventata troppo forte per consentire a tali grandi quantità di gas di collassare direttamente,” spiega Basu. “E così l’intero processo si è fermato“. Lui e Das stimano che la reazione a catena sia durata circa 150 milioni di anni.
Il limite di velocità generalmente accettato per la crescita del buco nero è chiamato tasso di Eddington, un equilibrio tra la forza esterna della radiazione e la forza di gravità interna. Questo limite di velocità può teoricamente essere superato se la materia collassa abbastanza velocemente; il modello di Basu e Das suggerisce che quei buchi neri hanno accumulando materia a tre volte il tasso di Eddington per tutto il tempo che è durata la reazione a catena. Per gli astronomi,però, che trattano regolarmente numeri in milioni, miliardi e trilioni, tre è un numero piuttosto modesto.

Ci sono molte altre teorie su come potrebbero essere nati i buchi neri per collasso diretto: forse aloni di materia oscura hanno formato quasi-stelle ultramassive che poi sono collassate, o densi ammassi di stelle di massa regolare si sono unite per poi collassare.

Per Basu e Das, una forza del loro modello è che non importa quale sia l’origine. “Tutto ciò richiede solo che si siano formati buchi neri molto massicci nell’universo primordiale, e si siano formati in un processo di reazione a catena, che durò solo un breve periodo.” Ha concluso Das.

Per il momento non siamo ancora in grado di vedere un buco nero supermassiccio in via di formazione; i telescopi esistenti non possono ancora guardare così lontano. Ma questo fatto potrebbe cambiare nel prossimo decennio quando nuovi potenti strumenti entreranno in rete, tra cui il James Webb Space Telescope, il Wide Field Infrared Survey Telescope e l’Interferometer Laser Space Antenna, che si troveranno tutti in orbita terrestre bassa, così come il Large Synoptic Survey Telescope, con sede in Cile.

Nei prossimi cinque o dieci anni, aggiunge Basu, avremo una “montagna di dati” e modelli come il suo e del suo collega aiuteranno gli astronomi a interpretare ciò che vedono.

Avi Loeb, uno dei pionieri della teoria del buco nero del collasso diretto e direttore della Black Hole Initiative di Harvard, è particolarmente entusiasta per l’Interferometer Laser Space Antenna. Al momento il suo lancio è previsto per il 2030, quando consentirà agli scienziati di misurare le onde gravitazionali – onde che increspano il tessuto dello spazio-tempo – in modo più accurato che mai.
Abbiamo già iniziato l’era dell’astronomia dell’onda gravitazionale con buchi neri di massa stellare“, dice, riferendosi alle fusioni dei buchi neri rilevate dall’osservatorio LIGO. La sua controparte posizionata in orbita, anticipa Loeb, potrebbe fornire un migliore “censimento” della popolazione di buchi neri supermassicci.
Per Basu, la questione di come vengono creati i buchi neri supermassicci è “una delle grandi falle nell’impostazione” della nostra attuale comprensione dell’universo. Il nuovo modello “è un modo per far funzionare tutto secondo le attuali osservazioni“, afferma. Ma Das rimane aperto a tutte le sorprese che porteranno i nuovi rilevatori, poiché le sorprese, dopo tutto, sono spesso il modo in cui la scienza progredisce.