Dobbiamo parlare dei secoli bui. Noquelli secoli bui dopo la caduta dell'Impero Romano d'Occidente. E dobbiamo parlare dell'alba cosmica: la nascita di quelle prime stelle, un'epoca tumultuosa che ha completamente rimodellato il volto del cosmo nella sua forma moderna.
Quelle prime stelle potrebbero essere state completamente diverse da qualsiasi cosa vediamo nell'universo attuale. E potremmo, se siamo fortunati, essere sulla cuspide di vederli per la prima volta.
Per prima cosa dobbiamo creare un piccolo mistero.
Ormai sappiamo tutti come nascono i buchi neri. Una stella gigante, da qualche parte a nord di otto volte la massa del nostro sole, vive la sua vita breve ma prevedibile, fondendo l'idrogeno in elio. Quindi si esaurisce l'idrogeno e inizia a fondere l'elio. Quindi si esaurisce l'elio e inizia a bruciare roba più pesante, risalendo la tavola periodica fino a colpire il ferro. La fusione del ferro succhia energia invece di rilasciare energia, e quindi nulla può fermare il terribile crollo gravitazionale della stella. Tutto viene schiacciato in un piccolo volume e ora hai un buco nero.
Nel corso del tempo quel buco nero può incontrarsi e consumare altri buchi neri, o semplicemente succhiare il materiale interstellare circostante, aumentando nel contempo il vigore. Dato abbastanza tempo e abbastanza cibo, il buco nero può gonfiarsi per diventare un gigante - un gigante supermassiccio. Queste creature si nascondono nei cuori delle galassie e inclinano facilmente le squame a un enorme milione di volte più la massa del nostro sole.
Il nuovo materiale continua a cadere - solo perché il buco nero è gigantesco non significa che la sua fame sia saziata - e mentre il gas cade nella bocca spalancata del buco nero, si comprime e si riscalda, brillando più luminoso del valore di una galassia stelle. Questo oggetto ha diversi nomi - quasar, blazar, nucleo galattico attivo - ma significano tutti la stessa cosa: un gigantesco buco nero èalimentazione.
Va tutto bene, è un po 'terrificante, ma qui c'è un problema. Vediamo i quasar nell'universo molto distante, il che significa che vediamo i quasar nel moltogiovane universo, quando non aveva nemmeno un miliardo di anni (sì, quello è giovane per un universo). E il processo che ho appena descritto sopra (formare grandi stelle, lasciarle vivere e morire, creare un buco nero, lasciarlo nutrire in proporzioni gigantesche) richiede molto più di un miliardo di anni.
In che modo il nostro universo ha prodotto mostri buchi neri così rapidamente?
Se la solita rotta stella-> buco nero-> quasar non sembra funzionare nell'universo primordiale, è tempo di prendere in considerazione delle alternative. Tasti di scelta rapida. Esistono percorsi più rapidi per creare i grandi buchi neri richiesti dalle nostre osservazioni. E il modo più rapido per creare un buco nero supermassiccio è iniziare con una stella supermassiva.
Quanto è supermassiccio? Che ne dici di 100.000 masse solari, è abbastanza grande per te?
Stelle come questa semplicemente non esistono nell'universo di oggi. Se provi a stipare tutto ciòcose in un volume abbastanza compatto da trasformarlo in una stella, interazioni e instabilità lo frammenteranno come un impasto di biscotti sbriciolato nelle tue mani, formando un sacco di stelle normali invece di un singolo mostro. Questo è il motivo per cui riteniamo che oggi oltre 100 masse solari siano estremamente rare.
Ma l'era dell'alba cosmica era un tempo diverso. Per prima cosa, non esistevano ancora elementi pesanti: le forge nucleari non funzionavano da abbastanza tempo da inquinare le vie navigabili interstellari. Le radiazioni da quegli elementi extra sono un ottimo modo per raffreddare una nuvola di gas e innescare la sua frammentazione in blocchi più piccoli. In secondo luogo, il giovane cosmo fu inondato di radiazioni ultraviolette ad alta energia dalla nascita improvvisa di altre stelle più piccole. Questa radiazione separa l'idrogeno molecolare, un altro percorso chiave per raffreddarsi e frammentare una gigantesca nuvola di gas.
Quindi, sebbene rari, le condizioni potrebbero essere state proprio alla fine delle epoche oscure cosmiche per formare stelle giganti e persino supergiganti: abbastanza materiale avrebbe potuto fluire in un volume abbastanza piccolo senza dividersi, dando vita a una stella enorme.
Queste stelle giganti avrebbero condotto vite brevi e sarebbero crollate direttamente per formare grandi buchi neri, abbreviando la solita strada per fare quasar.
Sembra un'ottima idea, ma nella scienza le grandi idee devono confrontarsi con le prove prima di poter iniziare a crederci. In questo caso, sarebbe abbastanza utile avere una fotografia di una di queste stelle gigantesche prima si trasformarono in buchi neri e poi in quasar.
È difficile, però, perché l'età in cui queste stelle vivevano e morivano è molto lontana da noi. E quelle stelle, mentre erano ancora giganti per gli standard stellari, erano molto piccole, rendendole ancora più difficili da individuare a queste distanze estreme.
Ma per una volta potremmo avere una pausa fortunata. Le recenti simulazioni di queste strane stelle rivelano che sono sorprendentemente fresche, con una temperatura superficiale tra i 6.000 e gli 8000 Kelvin, che conferiscono alle loro superfici un intenso bagliore rosso. E grazie alla loro incredibile massa, sono molto luminosi, pieni di luce con un'intensità di dieci miliardi di soli. Questa combinazione di pura luminosità e arrossamento profondo significa che sono potenzialmente visibili nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso per alcune missioni imminenti.
Missioni come il James Webb Space Telescope, uno strumento appositamente progettato per andare a caccia delle prime stelle. Se in quelle epoche lontane esistevano stelle supergiganti e se alcuni di loro erano abbastanza fortunati da sopravvivere nell'era in cui i loro fratelli avevano già iniziato a trasformarsi in mostri buchi neri, mettendoli solo un po 'più vicini in vista, c'è una possibilità che possiamo direttamente scatta la loro foto.
Che spettacolo sarebbe.
Per saperne di più: "Sulla rilevazione di stelle primordiali supermassicci"
