Quanti buchi neri ci sono nell’universo?

Quanti buchi neri ci sono nell’Universo? Questa è una delle domande più importanti e urgenti nell’astrofisica e nella cosmologia moderne.

L’intrigante questione è stata recentemente affrontata dal Dottorato di Ricerca della SISSA, studente Alex Sicilia, supervisionato dal Prof. Andrea Lapi e dal Dr. Lumen Boco, insieme ad altri collaboratori della SISSA e di altre istituzioni nazionali e internazionali.

Nel primo articolo di una serie appena pubblicata su The Astrophysical Journal, gli autori hanno studiato i dati demografici dei buchi neri di massa stellare, che sono buchi neri con masse comprese tra poche e alcune centinaia di masse solari, che si sono originati alla fine della vita di stelle massicce.

Secondo la nuova ricerca, una quantità notevole, circa l’1% della materia ordinaria (barionica) complessiva dell’Universo è rinchiusa in buchi neri di massa stellare. Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che il numero di buchi neri all’interno dell’Universo osservabile (una sfera di diametro di circa 90 miliardi di anni luce), è attualmente di circa 40 miliardi di miliardi (cioè, circa 40 x 10 18, cioè 4 seguiti da 19 zeri!) 40.000.000.000.000.000.000.

Un nuovo metodo per calcolare il numero di buchi neri

Come spiegano gli autori della ricerca: “Questo importante risultato è stato ottenuto grazie a un approccio originale che combina lo stato dell’arte del codice di evoluzione stellare e binaria SEVN, sviluppato dal ricercatore della SISSA Dr. Mario Spera a prescrizioni empiriche per rilevanti proprietà delle galassie, in particolare il tasso di formazione stellare, la quantità di massa stellare e la metallicità del mezzo interstellare (che sono tutti elementi importanti per definire il numero e le masse dei buchi neri stellari)”.

Sfruttando questi ingredienti cruciali in un approccio auto-coerente, grazie al loro nuovo approccio computazionale, i ricercatori hanno quindi derivato il numero di buchi neri stellari e la loro distribuzione di massa nell’intera storia dell’Universo.

Alex Sicilia, primo autore dello studio, ha commentato: “Il carattere innovativo di questo lavoro sta nell’accoppiamento di un modello dettagliato dell’evoluzione stellare e binaria con ricette avanzate per la formazione stellare e l’arricchimento di metalli nelle singole galassie. Questo è uno dei primi, e uno dei più robusti calcoli della funzione di massa del buco nero stellare nella storia cosmica”.

Qual è l’origine dei buchi neri stellari più massicci?

La stima del numero di buchi neri nell’Universo osservabile non è l’unico problema indagato dagli scienziati in questo pezzo di ricerca. In collaborazione con il Dr. Ugo Di Carlo e la Prof. Michela Mapelli dell’Università di Padova, hanno anche esplorato i vari canali di formazione di buchi neri di diverse masse, come stelle isolate, sistemi binari e ammassi stellari.

Secondo il loro lavoro, i buchi neri stellari più massicci provengono principalmente da eventi dinamici negli ammassi stellari. In particolare, i ricercatori hanno dimostrato che tali eventi sono necessari per spiegare la funzione di massa dei buchi neri coalescenti stimata dalle osservazioni delle onde gravitazionali dalla collaborazione LIGO /Virgo.

Lumen Boco, coautore dell’articolo, commenta: “Il nostro lavoro fornisce una solida teoria per la generazione di semi di luce per buchi neri supermassicci ad alto redshift e può costituire un punto di partenza per indagare sull’origine dei “semi pesanti”. 

Un lavoro multidisciplinare svolto nell’ambito di “BiD4BESt – Big Data Application for Black Hole Evolution Studies” del Prof. Andrea Lapi, relatore siciliano e coordinatore del dottorato di ricerca in Astrofisica e Cosmologia alla SISSA, aggiunge: “Questa ricerca è davvero multidisciplinare, copre aspetti e richiede competenze in astrofisica stellare, formazione ed evoluzione di galassie, onde gravitazionali e astrofisica multi-messaggera; come tale ha bisogno degli sforzi collaborativi di vari membri del gruppo di astrofisica e cosmologia della SISSA e di un forte networking con collaboratori esterni”.

Il lavoro di Alex Sicilia si colloca nell’ambito di un prestigioso Progetto Innovative Training Network “BiD4BESt – Big Data Application for Black Hole Evolution Studies” co-PIed dal Prof. Andrea Lapi della SISSA (H2020-MSCAITN-2019 Project 860744), che è stato finanziato dall’Unione Europea con circa 3,5 milioni di euro complessivi; coinvolge diversi partner accademici e industriali, per fornire dottorato di ricerca e formazione a 13 ricercatori in fase iniziale nell’area della formazione e dell’evoluzione dei buchi neri, sfruttando tecniche avanzate di data science.