I buchi neri super-massicci (SMBH) sono difficili da spiegare. Si pensa che queste gigantesche singolarità siano al centro di ogni grande galassia (la nostra Via Lattea ne ha una) ma la loro presenza a volte sfugge a una facile spiegazione. Per quanto ne sappiamo, si formano buchi neri quando crollano le stelle giganti. Ma questa spiegazione non si adatta a tutte le prove.
La teoria del collasso stellare fa un buon lavoro per spiegare la maggior parte dei buchi neri. In quella teoria, una stella almeno cinque volte più massiccia del nostro Sole inizia a rimanere senza carburante verso la fine della sua vita. Poiché la pressione esterna della fusione nucleare di una stella è ciò che la sostiene contro la gravità interna della sua stessa massa, qualcosa deve dare quando il combustibile si esaurisce.
La stella subisce un'esplosione di ipernova, quindi collassa su se stessa. Ciò che rimane è un buco nero. Gli astrofisici pensano che gli SMBH inizino in questo modo e crescano nelle loro enormi dimensioni essenzialmente "nutrendosi" di altra materia. Si gonfiano di dimensioni e si siedono al centro della loro gravità quasi come un ragno che ingrassa nel mezzo della sua tela.
Il problema con questa spiegazione è che ci vuole molto tempo per accadere.
Laggiù nell'universo, gli scienziati hanno osservato SMBH antichi. Nel marzo di quest'anno un gruppo di astronomi ha annunciato la scoperta di 83 SMBH così antichi da sfidare la nostra comprensione. Nel 2017 gli astronomi hanno scoperto un buco nero di massa solare di 800 milioni che è stato completamente formato solo 690 milioni di anni dopo il Big Bang. Sono nati nei primi giorni dell'Universo, prima che ci fosse tempo per crescere nelle loro forme super-massicce.
Molti di questi SMBH sono miliardi di volte più massicci del Sole. Sono a turni rossi così elevati, che devono essersi formati nei primi 800 milioni di anni dopo il Big Bang. Ma questo non è abbastanza tempo perché il modello del crollo stellare possa spiegarli. La domanda che gli astrofisici devono affrontare è: come hanno fatto quei buchi neri a diventare così grandi in così poco tempo?
Una coppia di ricercatori della Western University in Ontario, in Canada, pensa di averlo capito. Hanno una nuova teoria chiamata "collasso diretto" che spiega questi incredibilmente antichi SMBH.
Il loro articolo è intitolato "La funzione di massa dei buchi neri supermassicci nello scenario del collasso diretto" ed è pubblicato in The Astrophysical Journal Letters. Gli autori sono Shantanu Basu e Arpan Das. Basu è un esperto riconosciuto nelle prime fasi della formazione stellare e dell'evoluzione del disco protoplanetario. È anche professore di astronomia alla Western University. Das proviene anche dal Dipartimento di fisica e astronomia di Western.
La loro teoria del collasso diretto afferma che gli antichi buchi neri super-massicci si formarono molto rapidamente in periodi di tempo molto brevi. Poi all'improvviso, hanno smesso di crescere. Hanno sviluppato un nuovo modello matematico per spiegare questi antichi buchi neri in rapida formazione. Dicono che il limite di Eddington, che è un equilibrio tra la forza radiativa esterna di una stella e la forza gravitazionale interna, gioca un ruolo.
In questi buchi neri a collasso diretto, il limite di Eddington regola la crescita di massa e i ricercatori affermano che questi antichi buchi neri possono persino superare quel limite di una piccola quantità, in quello che chiamano accrescimento di Eddington. Quindi, a causa delle radiazioni prodotte da altre stelle e buchi neri, la loro produzione si è fermata.
"I buchi neri supermassicci hanno avuto solo un breve periodo di tempo in cui sono stati in grado di crescere rapidamente e poi ad un certo punto, a causa di tutte le radiazioni nell'universo create da altri buchi neri e stelle, la loro produzione si è fermata", spiega Basu in un comunicato stampa. "Questo è lo scenario del collasso diretto".
"Questa è una prova osservazionale indiretta che i buchi neri provengono da collassi diretti e non da resti stellari", ha detto Basu.
Questa nuova teoria fornisce una spiegazione efficace per quello che è stato un problema spinoso in astronomia per qualche tempo. Basu ritiene che questi nuovi risultati possano essere utilizzati con osservazioni future per inferire la storia della formazione dei buchi neri estremamente massicci che esistono in tempi molto precoci nel nostro universo.
Fonti:
- Comunicato stampa: i ricercatori fanno luce sulle origini del buco nero
- Research Paper: La funzione di massa dei buchi neri supermassicci nello scenario del collasso diretto
- Space Magazine: troppo grande, troppo presto. Buco mostro nero visto poco dopo il Big Bang
- Università di Princeton: gli astronomi scoprono 83 buchi neri supermassicci nell'universo primordiale
- Wikipedia: Eddington Luminosity (limite)
