Illustrazione dell'Universo primordiale. Credito d'immagine: NASA. Clicca per ingrandire.
Tutto è iniziato molto tempo fa, mentre l'universo era molto giovane. Le prime massicce stelle dell'allevatore si scatenarono nella loro giovinezza - ruotando e cavalcando tra le ricche erbe verdi di materia vergine. Man mano che il loro tempo assegnato si esauriva, i motori nucleari ribollivano flussi espansivi di idrogeno caldo e gas elio, arricchendo i media interstellari. Durante questa fase, ammassi stellari supermassicci si formarono in piccole tasche vicino a nuclei galattici nascenti - ogni ammasso nuotava in piccole regioni di materia primordiale di mini-alone.
Completando il loro ciclo, le prime stelle dell'allevatore esplose, emettendo atomi pesanti. Ma prima che troppa materia pesante accumulata nell'Universo, si formassero i primi buchi neri, si svilupparono rapidamente attraverso l'assimilazione reciproca e accumularono abbastanza influenza gravitazionale da attirare gas "Goldilock" di temperature e composizione precise in ampi dischi di accrescimento. Questa fase di crescita supercritica ha fatto maturare rapidamente i primi enormi buchi neri (MBH) allo stato di buco nero supermassiccio (SMBH). Da ciò i primi quasar si stabilirono all'interno dei mini-aloni fusi di numerose protogalassie.
Questa immagine della formazione dei primi quasar è emersa da un recente articolo (pubblicato il 2 giugno 2005) intitolato "Rapid Growth of High Redshift Black Holes" scritto dai cosmologi britannici Martin J. Rees e Marta Volonteri di Cambridge. Questo studio tratta la possibilità che una breve finestra di rapida formazione di SMBH si sia aperta dopo il tempo della trasparenza universale ma prima che i gas nei media interstellari si reionizzassero completamente attraverso le radiazioni stellari e seminassero con metalli pesanti dalle supernovae. Il modello Rees-Volonteri tenta di spiegare i fatti che emergono dal set di dati Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Entro 1 miliardo di anni dopo il Big Bang, si erano già formati molti quasar altamente radianti. Ciascuno con SMBH con masse superiori a 1 miliardo di soli. Questi erano sorti da "buchi neri di semi": le ceneri gravitazionali lasciate dopo il primo ciclo di supernovae collassarono tra i primi enormi ammassi galattici. Dopo un miliardo di anni dopo il Big Bang, era quasi finito. Come è possibile che così tanta massa si condensasse così rapidamente in così piccole regioni dello spazio?
Secondo Volontari e Rees, "Far crescere tali semi fino a 1 miliardo di masse solari richiede un accrescimento quasi continuo del gas ..." Lavorare contro un tasso di accrescimento così elevato, è il fatto che le radiazioni della materia che cadono in un buco nero compensano in genere una rapida " aumento di peso ". La maggior parte dei modelli di crescita SMBH mostra che circa il 30% della massa che cade verso un buco nero intermedio (massiccio - non supermassiccio) viene convertito in radiazione. L'effetto di questo è duplice: la materia che altrimenti alimenterebbe l'MBH viene persa a causa delle radiazioni, e la pressione delle radiazioni verso l'esterno soffoca la marcia di materia aggiuntiva verso l'interno per alimentare una rapida crescita.
La chiave per comprendere la rapida formazione di SMBH sta nella possibilità che i primi dischi di accrescimento intorno a quelli di MBH non fossero otticamente densi come lo sono oggi, ma "grassi" con materia distribuita in modo tenue. In tali condizioni, la radiazione ha un percorso libero medio più ampio e può fuoriuscire oltre i dischi senza ostacolare il movimento interno della materia. Il carburante che guida l'intero processo di crescita di SMBH viene consegnato copiosamente nell'orizzonte degli eventi del buco nero. Nel frattempo, la materia tipica presente nella prima epoca era principalmente l'idrogeno e l'elio monatomici, non il tipo di dischi di arricchimento di metalli pesanti di un'era successiva. Tutto ciò suggerisce che i primi MBH sono cresciuti di fretta, alla fine tenendo conto dei molti quasar completamente maturi visti nel set di dati SDSS. Tali primi MBH devono aver avuto rapporti di conversione di energia di massa più tipici degli SMBH pienamente maturi rispetto agli MBH di oggi.
Volontari e Rees affermano che i precedenti ricercatori hanno dimostrato che "i quasar completamente sviluppati hanno un'efficienza di conversione di energia di massa di circa il 10% ..." La coppia avverte tuttavia che questo valore di conversione di energia di massa viene fuori dagli studi di quasar di un periodo successivo in Universal espansione e che "non si sa nulla sull'efficienza radiativa dei quasar pregalattici nell'Universo primordiale". Per questo motivo "l'immagine che abbiamo dell'Universo a spostamento verso il rosso basso potrebbe non essere applicabile in tempi precedenti." Chiaramente l'Universo primordiale era più densamente pieno di materia, quella materia era a una temperatura più elevata e c'era un rapporto più elevato di non metalli rispetto a metalli. Tutti questi fattori dicono che è quasi la migliore ipotesi per quanto riguarda l'efficienza di conversione di energia di massa dei primi MBH. Dal momento che ora dobbiamo spiegare perché esistono così tanti SMBH tra i primi quasar, ha senso che Volontari e Rees usano ciò che sanno dei dischi di accrescimento di oggi come mezzo per spiegare in che modo tali dischi potrebbero essere stati diversi in passato.
Ed è i primi tempi - prima che le radiazioni di numerose stelle re-ionizzassero gas all'interno del mezzo interstellare - che offrivano condizioni mature per una rapida formazione di SMBH. Tali condizioni potrebbero durare meno di 100 milioni di anni e richiedere un equilibrio adeguato nella temperatura, densità, distribuzione e composizione della materia nell'Universo.
Per ottenere il quadro completo (come dipinto nel documento), iniziamo con l'idea che l'universo primordiale fosse popolato da innumerevoli mini aloni composti da materia oscura e barionica con ammassi stellari estremamente massicci ma estremamente densi in mezzo a loro. A causa della densità di questi ammassi - e della massa delle stelle che li compongono - le supernovae si svilupparono rapidamente per generare numerosi "buchi neri". Questi semi BH si sono riuniti in enormi buchi neri. Nel frattempo forze gravitazionali e movimenti reali hanno rapidamente unito i vari mini-aloni. Ciò ha creato aloni sempre più massicci in grado di alimentare gli MBH.
Nel primo universo, la materia circostante gli MBH assumeva la forma di enormi sferoidi poveri di metalli di idrogeno ed elio con una temperatura media di circa 8000 gradi Kelvin. A temperature così elevate, gli atomi rimangono ionizzati. A causa della ionizzazione, c'erano pochi elettroni associati agli atomi che fungevano da trappole di fotoni. Gli effetti della pressione delle radiazioni diminuirono al punto in cui la materia cadde più facilmente in un orizzonte degli eventi dei buchi neri. Nel frattempo gli stessi elettroni liberi disperdono la luce. Parte di quella luce si irradia nuovamente verso il disco di accrescimento e un'altra fonte di massa - sotto forma di energia - alimenta il sistema. Infine, una carenza di metalli pesanti - come ossigeno, carbonio e azoto - significa che gli atomi monotomici rimangono caldi. Poiché le temperature scendono al di sotto di 4.000 gradi K, gli atomi si de-ionizzano e diventano nuovamente soggetti alla pressione delle radiazioni, riducendo il flusso di materia fresca che cade nell'orizzonte degli eventi BH. Tutte queste proprietà puramente fisiche tendevano a ridurre i rapporti di efficienza energetica di massa, consentendo agli MBH di ingrassare rapidamente.
Nel frattempo, quando i mini aloni si sono coalizzati, la materia barionica calda si è condensata in enormi dischi "spessi", non negli anelli sottili visti oggi intorno agli SMBH. Ciò è dovuto al fatto che l'alone stesso ha circondato completamente gli MBH in rapida crescita. Questa distribuzione sferoidale della materia ha fornito una fonte costante di materia fresca, calda e vergine per alimentare il disco di accrescimento da una varietà di angolazioni. Dischi spessi significavano maggiori quantità di materia a bassa densità ottica. Ancora una volta, la materia è riuscita a evitare di essere "navigata dal sole" verso l'esterno lontano dall'incombente fauci del MBH e i rapporti di conversione di energia di massa sono diminuiti.
Entrambi i fattori - dischi grassi e atomi ionizzati a bassa massa - affermano che durante l'età d'oro di un universo verde precoce, gli MBH sono cresciuti rapidamente. Entro un miliardo di anni dal Big Bang si erano stabiliti in una maturità relativamente tranquilla, convertendo in modo efficiente la materia in luce e gettando quella luce attraverso vaste distese di tempo e spazio in un universo potenzialmente in continua espansione.
Scritto da Jeff Barbour
