19 Giu 2021 La Nascita dei Buchi Neri Supermassicci
Secondo un nuovo studio dell’dell’University of California, Riverside, i buchi neri primordiali si sono formati in seguito al collasso di un alone di materia oscura. Un simile scenario potrebbe spiegare l’individuazione di buchi neri giganti in epoche molto remote della storia universale.
È noto che i buchi neri si formano in seguito alla morte esplosiva delle stelle massicce, quando la materia collassa in un oggetto estremamente denso da cui non può sfuggire neppure la luce. Un buco nero stellare può attirare via via materiale dall’ambiente circostante, diventando molto più massiccio, e, infine, può fondersi con altri buchi neri. L’intero processo è chiamato accrescimento. Ma la teoria dell’accrescimento non spiega i quasar estremamente lontani, e quindi primordiali. Sono stati osservati quasar luminosissimi, nuclei galattici attivi associati alla presenza di buchi neri supermassicci, di dimensioni colossali, a distanze assai remote. Questi oggetti mostruosi pongono una problematica: come possono avere acquisito così tanta massa in così poco tempo, all’alba dell’Universo? Il processo di crescita convenzionale, basato sull’accrescimento, è troppo lento per poter rappresentare una risposta efficace a questa domanda.
Un team di fisici teorici dell’University of California, Riverside, propone una possibile spiegazione: un massiccio buco nero primordiale prodotto dal collasso di un alone di materia oscura. Anche se questa misteriosa materia non interagisce con la materia normale che conosciamo, risultando pertanto invisibile, gli scienziati ritengono che costituisca l’85 percento della materia nell’Universo.
“Abbiamo pensato a due ipotesi”, spiega Hai-Bo Yu, a guida dello studio pubblicato su Astrophysical Journal Letters. “Il buco nero neonato potrebbe essere molto più massiccio rispetto a quanto previsto dalla teoria o potrebbe crescere molto più rapidamente, o entrambe le cose”. Il problema è la tempistica: i buchi neri impiegano tempo a diventare massicci acquisendo materia circostante. “Il nostro studio dimostra che se la materia oscura interagisce con se stessa, allora il collasso gravotermico di un alone può portare alla formazione di un seme di buco nero sufficientemente massiccio”, spiega Yi-Ming Zhong, coautore dello studio. Uno dei meccanismi teorizzati per spiegare la presenza dei buchi neri supermassicci agli albori del cosmo è il collasso di gas primordiale nelle antiche protogalassie. “Questo meccanismo, tuttavia, non può produrre un seme di buco nero sufficientemente massiccio da rendere conto dei buchi neri giganti individuati recentemente, a meno che il baby-buco nero non abbia sperimentato un tasso di crescita estremamente rapido”.
“Il nostro studio propone una spiegazione alternativa: un alone di materia oscura auto-interagente sperimenta instabilità gravotermica e la sua regione centrale collassa in un seme di buco nero“, aggiunge Yu. Secondo i ricercatori, le particelle di materia oscura dapprima si ammassano insieme sotto l’influenza della gravità e vanno a formare un alone di materia oscura. Durante l’evoluzione dell’alone entrano in campo due forze in competizione: la gravità e la pressione. Mentre la gravità induce la materia a contrarsi, la pressione la spinge verso l’esterno. Se le particelle di materia oscura non sono auto-interagenti, allora la gravità le spinge verso l’alone centrale, diventano più calde e si muovono più rapidamente: di conseguenza la pressione aumenta e vengono respinte indietro.
Ma, nel caso di materia oscura auto-interagente, queste interazioni possono trasportare il calore dalle particelle “più calde” a quelle vicine, rendendo più difficile il rimbalzo. L’alone centrale, destinato a collassare in buco nero, ha un momento angolare: è in rotazione. Le auto-interazioni possono indurre viscosità, o “frizione”, in grado di dissipare il momento angolare. Durante il processo di collasso, l’alone centrale, che ha una sua massa, si restringe in dimensione e rallenta la sua rotazione. Man mano l’alone collassa in uno stato di singolarità: un seme di buco nero. Il seme può diventare molto più massiccio accrescendo la materia bariohica circostante, come gas e stelle. “Il vantaggio di questo scenario è che la massa del seme del buco nero può essere elevata sin da quando viene creata dal collasso dell’alone di materia oscura. Pertanto, può formarsi un buco nero supermassiccio in un tempo scala relativamente breve”, conclude Yu.
Nell’immagine rappresentazione artistica di un buco nero attivo dotato di disco di accrescimento
Credit: NASA/Swift/Aurore Simonnet, Sonoma State University
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-06/uoc–has061621.php
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