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Perché i buchi neri supermassicci sono così grandi, così presto?

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Supermassive Black Holes (SMBHs) possono avere miliardi di masse solari, e le evidenze osservazionali suggeriscono che tutte le galassie grandi ne abbiano una al loro centro. Tuttavia, il JWST ha svelato un fondamentale mistero cosmico. Il potente telescopio spaziale, con la sua capacità di osservare galassie antiche nei primi miliardi di anni dopo il Big Bang, ci ha mostrato che gli SMBH erano estremamente massicci anche in quel periodo. Questo contraddice i nostri modelli scientifici che spiegano come questi colossi siano diventati così enormi.

Come hanno fatto ad arrivare a essere così massicci così presto?

I buchi neri di tutte le masse sono in parte misteriosi. Sappiamo che le stelle massicce possono collassare e formare buchi neri di massa stellare nella fase finale della loro vita. È anche noto che coppie di buchi neri di massa stellare possono fondersi, e abbiamo rilevato le onde gravitazionali generate da queste fusioni. Quindi, è allettante pensare che anche gli SMBH crescano attraverso fusioni quando le galassie si fondono.

Il problema è che, nell’Universo primordiale, non c’era abbastanza tempo affinché i buchi neri crescessero abbastanza e fondessero frequentemente per produrre gli SMBH. Il JWST ha evidenziato gli errori nei nostri modelli di crescita dei buchi neri trovando quasar alimentati da buchi neri di 1-10 miliardi di masse solari a meno di 700 milioni di anni dopo il Big Bang.

Gli astrofisici sono impegnati a capire come gli SMBH siano diventati così massicci così presto nell’Universo. Nuove ricerche intitolate “Buchi neri primordiali come semi di buchi neri supermassicci” tentano di colmare il divario nella nostra comprensione. L’autore principale è Francesco Ziparo della Scuola Normale Superiore di Pisa, un’università pubblica in Italia.

Questa concezione artistica illustra un buco nero supermassiccio (punto nero centrale) al centro di una giovane galassia ricca di stelle. Le evidenze osservazionali suggeriscono che tutte le grandi galassie ne abbiano uno. Credito immagine: NASA/JPL-Caltech

Esistono tre tipi di buchi neri: buchi neri di massa stellare, buchi neri di massa intermedia (IMBHs), e SMBHs. I buchi neri di massa stellare hanno masse che vanno da circa cinque masse solari fino a diverse decine di masse solari. Gli SMBHs hanno masse che vanno da centinaia di migliaia di masse solari fino a milioni o miliardi di masse solari. Gli IMBHs si trovano nel mezzo, con masse che variano da circa cento a centomila masse solari. I ricercatori si sono chiesti se gli IMBHs potrebbero essere il collegamento mancante tra i buchi neri di massa stellare e gli SMBHs. Tuttavia, abbiamo solo evidenze indirette della loro esistenza.

Questa è Omega Centauri, il più grande e luminoso ammasso globulare che conosciamo nella Via Lattea. Un team internazionale di astronomi ha utilizzato oltre 500 immagini del Telescopio Spaziale Hubble della NASA/ESA, spanning due decenni, per rilevare sette stelle a movimento rapido nella regione più interna di Omega Centauri. Queste stelle forniscono nuove e convincenti evidenze della presenza di un buco nero di massa intermedia. Credito immagine: ESA/Hubble & NASA, M. Häberle (MPIA)

Esiste un quarto tipo di buco nero che è in gran parte teorico, e alcuni ricercatori pensano che possano aiutare a spiegare come i primi SMBH siano stati così massicci. Sono chiamati buchi neri primordiali (PBH). Le condizioni nell’Universo primordiale erano molto diverse da quelle attuali, e gli astrofisici pensano che i PBH possano essersi formati per il collasso diretto di densi agglomerati di materia subatomica. I PBH si sono formati prima che esistessero stelle, quindi non sono limitati al ristrettissimo intervallo di massa dei buchi neri di massa stellare.

Illustrazione artistica di buchi neri primordiali. Centro spaziale Goddard della NASA

“La presenza di buchi neri supermassicci nel primo Gyr cosmico (gigayear) sfida i modelli attuali di formazione e evoluzione dei buchi neri,” scrivono i ricercatori. “Proponiamo un meccanismo innovativo per la formazione di semi di SMBH precoci basato sui buchi neri primordiali (PBH).”

Ziparo e i suoi coautori spiegano che, nell’Universo primordiale, i PBH si sarebbero raggruppati e formati in regioni ad alta densità, le stesse regioni in cui si sono originati gli aloni di materia oscura. Il loro modello tiene conto dell’accrezione dei PBH e del feedback, della crescita degli aloni di materia oscura e dell’attrito dinamico del gas.

In questo modello, i PBH hanno circa 30 masse solari e si trovano nella regione centrale degli aloni di materia oscura (DM). Man mano che gli aloni crescono, la materia barionica si deposita nei loro pozzetti come gas raffreddato. “I PBH sia accrescono barioni sia perdono momento angolare a causa dell’attrito dinamico sul gas, riunendosi così nella regione centrale del pozzo potenziale e formando un nucleo denso,” spiegano gli autori. Una volta raggruppati, si verifica un collasso incontrollato che si traduce in un buco nero massiccio. La sua massa dipende dalle condizioni iniziali.

Se piantati in tempo utile, questi semi possono spiegare i primi SMBH osservati dal JWST.

Questa figura della ricerca illustra come i PBH potrebbero formare i semi degli SMBH. (Sinistra) Man mano che il gas si raffredda, esso si deposita al centro del potenziale gravitazionale della materia oscura, e i PBH si trovano incapsulati al centro. (Centrale) I PBH perdono momento angolare a causa dell’attrito dinamico del gas e si concentrano nel nucleo dell’alone di DM. (Destra) Le binarietà PBH si formano e fondono rapidamente a causa della loro alta densità. Il risultato finale è un processo di fusione incontrollata che crea i semi degli SMBH. Credito immagine: Ziparo et al. 2024.

C’è un modo per testare questo modello, secondo gli autori.

“Durante la fase incontrollata del processo proposto di formazione dei semi, ci si aspetta che le fusioni PBH-PBH emettano copiosamente onde gravitazionali. Queste previsioni possono essere testate attraverso osservazioni future del Telescopio Einstein e utilizzate per vincolare i modelli inflazionari,” spiegano.

Il Telescopio Einstein o Osservatorio Einstein è una proposta di diverse agenzie e istituzioni di ricerca europee per un osservatorio sotterraneo delle onde gravitazionali (GW) che costruirebbe sul successo dei rivelatori laser-interferometrici Advanced Virgo e Advanced LIGO. Il Telescopio Einstein sarebbe anch’esso un interferometro laser, ma con braccia molto più lunghe. Mentre LIGO ha braccia lunghe quattro km, Einstein avrebbe braccia lunghe 10 km. Queste braccia più lunghe, unite a nuove tecnologie, renderebbero il telescopio molto più sensibile alle GW.

Il Telescopio Einstein dovrebbe aprire una finestra GW sull’intera popolazione di buchi neri stellari e di massa intermedia per tutta la storia dell’Universo. “Il Telescopio Einstein renderà possibile, per la prima volta, esplorare l’Universo attraverso onde gravitazionali lungo la sua storia cosmica fino alle oscurità cosmologiche, gettando luce su questioni aperte di fisica fondamentale e cosmologia,” si legge nel sito del Telescopio Einstein.

Una comprensione approfondita degli SMBH è ancora lontana, ma è importante comprenderli a causa del loro ruolo nell’Universo. Essi aiutano a spiegare la struttura su larga scala dell’universo influenzando la distribuzione della materia su grandi scale. Il fatto che siano apparsi così presto nell’Universo rispetto a quanto pensavamo possibile dimostra che abbiamo ancora molto da imparare sugli SMBH e su come l’Universo sia evoluto fino allo stato attuale.

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