A Caccia di Buchi Neri Primordiali

A Caccia di Buchi Neri Primordiali

Un nuovo studio indaga sulla possibilità di scovare in futuro un tipo di oggetto estremo la cui esistenza è stata sinora soltanto ipotizzata: i buchi neri a collasso diretto, nati durante la formazione di una galassia primordiale. Tali buchi neri potrebbero rivelarsi la soluzione di un mistero di lunga data per l’astrofisica: come hanno fatto a formarsi buchi neri giganteschi agli albori del cosmo?

Prove dell’esistenza di questi oggetti derivano dall’osservazione di quasar estremamente luminosi individuati nel giovane Universo. Tuttavia diversi meccanismi dovrebbero impedire la loro formazione e il processo di crescita convenzionale è troppo lento. È noto che i buchi neri si formano alla morte delle stelle massicce, quando la materia collassa in un oggetto estremamente denso da cui non può sfuggire neppure la luce. Ma secondo gli astronomi potrebbero nascere direttamente buchi neri massicci durante la formazione di una galassia primordiale, anche se nessuno è mai riuscito a penetrare così indietro nel tempo e nello spazio da osservare il processo di creazione dei buchi neri a collasso diretto (direct collapse black holes, DCBH).

Il telescopio James Webb, il cui lancio è previsto per il 2021, potrebbe essere in grado di osservare sufficientemente lontano nel giovane Universo per scovare una galassia in cui si annida un buco nero supermassiccio infante. Una nuova simulazione realizzata da ricercatori del Georgia Institute of Technology suggerisce cosa gli astronomi dovrebbero andare a cercare per individuare il collasso diretto di un buco nero. Secondo lo studio, pubblicato su Nature Astronomy, la nascita diretta dei buchi neri potrebbe essere accompagnata da specifiche radiazioni intense, inclusa radiazione X ed emissione ultravioletta, che risulterebbe spostata nell’infrarosso dato il tempo necessario a raggiungere il telescopio.

“Al centro delle grandi galassie si annidano buchi neri supermassicci, ma non siamo in grado di osservare il processo che ha portato alla loro formazione e alla loro crescita così rapida”, spiega Kirk S. S. Barrow, primo autore dello studio. “Gli scienziati hanno teorizzato che questi buchi neri enormi possano essersi formati alla nascita delle galassie, e abbiamo voluto convertire queste previsioni teoriche in previsioni osservative che potrebbero essere utilizzate in futuro dal James Webb Space Telescope”.

La formazione di un buco nero a collasso diretto inizia con un’immensa nube primordiale di idrogeno ed elio, diffusa in un mare di radiazione ultravioletta, che si comprime nel campo gravitazionale di un alone di materia oscura, in contemporanea alle fasi iniziali della formazione di una galassia. Il buco nero impiega appena un milione di anni a formarsi. Per capire cosa osservare nel giovane Universo per individuare questo processo, i ricercatori hanno utilizzato il supercomputer Stampede all’University of Texas, Austin, realizzando una simulazione complessa che include effetti di gravità, radiazione e idrodinamica. Il risultato ha fornito informazioni come densità e temperature, dati convertiti in seguito dai ricercatori in previsioni osservative per la prossima generazione di telescopi.

Nella simulazione il gas iniziale collassa in una stella titanica, 100.000 volte più massiccia del Sole, che in seguito va soggetta a instabilità gravitazionale e collassa su se stessa a formare direttamente un buco nero massiccio. La radiazione seguita all’evento innesca la formazione di stelle nel corso di un periodo di circa 500.000 anni. “Le stelle di prima generazione sono molto più massicce, quindi vivono per brevi periodi di tempo. Nei primi 5 o 6 milioni di anni dalla loro formazione muoiono ed esplodono in supernove, un’altra caratteristica del processo che potrebbe essere individuata”, spiegano i ricercatori. “Si tratta di uno dei misteri più grandi del giovane Universo. Ci auguriamo che questo studio si riveli un notevole passo in avanti per scoprire la formazione dei buchi neri colossali alla nascita delle galassie”.
[ Barbara Bubbi ]

Immagine basata su simulazioni dell’ambiente cosmico in cui il gas primordiale va soggetto a collasso diretto in buco nero. Il gas fluisce lungo filamenti di materia oscura della rete cosmica che connette strutture del giovane Universo. Le prime galassie si formarono nelle intersezioni di questi filamenti.
Credit: Aaron Smith/TACC/UT-Austin

https://phys.org/news/2018-09-kind-black-hole.html