C'è un buco nero supermassiccio al centro di quasi tutte le galassie nell'Universo. Come sono arrivati li? Qual è la relazione tra questi mostri buchi neri e le galassie che li circondano?
Ogni volta che gli astronomi guardano più lontano nell'Universo, scoprono nuovi misteri. Questi misteri richiedono tutti i nuovi strumenti e tecniche per capire. Questi misteri portano a più misteri. Quello che sto dicendo è che si tratta di tartarughe misteriose fino in fondo.
Uno dei più affascinanti è la scoperta dei quasar, la comprensione di cosa sono e lo svelamento di un mistero ancora più profondo, da dove vengono?
Come sempre, mi sto anticipando, quindi prima di tutto torniamo a parlare della scoperta dei quasar.
Negli anni '50, gli astronomi scansionarono i cieli usando i radiotelescopi e trovarono una classe di oggetti bizzarri nel lontano universo. Erano molto luminosi e incredibilmente lontani; a centinaia di milioni o addirittura miliardi di anni luce di distanza. I primi furono scoperti nello spettro radio, ma con il passare del tempo gli astronomi scoprirono ancora di più lo spettro visibile.
L'astronomo Hong-Yee Chiu ha coniato il termine "quasar", che significava oggetto quasi stellare. Erano come stelle, che brillavano da una singola fonte puntuale, ma chiaramente non erano stelle, che brillavano di più radiazioni di un'intera galassia.
Nel corso dei decenni, gli astronomi hanno sconcertato la natura dei quasar, apprendendo che in realtà erano buchi neri, alimentavano attivamente e lanciavano radiazioni, visibili miliardi di anni luce di distanza.
Ma non erano i buchi neri di massa stellare, che erano noti per la morte di stelle giganti. Questi erano buchi neri supermassicci, con milioni o addirittura miliardi di volte la massa del Sole.
Già negli anni '70, gli astronomi consideravano la possibilità che esistessero questi buchi neri supermassicci nel cuore di molte altre galassie, persino della Via Lattea.
Nel 1974, gli astronomi hanno scoperto una fonte radio al centro della Via Lattea che emette radiazioni. Era intitolato Sagittario A *, con un asterisco che significa "eccitante", beh, nella prospettiva degli "atomi eccitati".
Ciò corrisponderebbe alle emissioni di un buco nero supermassiccio che non si nutriva attivamente di materiale. La nostra galassia avrebbe potuto essere un quasar in passato o in futuro, ma in questo momento il buco nero era per lo più silenzioso, a parte questa radiazione sottile.
Gli astronomi dovevano essere certi, quindi hanno eseguito un'indagine dettagliata del centro della Via Lattea nello spettro infrarosso, che ha permesso loro di vedere attraverso il gas e la polvere che oscurano il nucleo alla luce visibile.
Hanno scoperto un gruppo di stelle in orbita attorno al Sagittario A-star, come comete in orbita attorno al Sole. Solo un buco nero con milioni di volte la massa del Sole potrebbe fornire il tipo di ancora gravitazionale per muovere queste stelle in orbite così bizzarre.
Ulteriori sondaggi hanno trovato un buco nero supermassiccio nel cuore della Galassia di Andromeda, infatti, sembra che questi mostri siano al centro di quasi tutte le galassie dell'Universo.
Ma come si sono formati? Da dove provengono? La galassia si è formata per prima e ha causato la formazione del buco nero nel mezzo, oppure si è formata il buco nero e ha costruito una galassia attorno a loro?
Fino a poco tempo fa, questo era in realtà ancora uno dei grandi misteri irrisolti in astronomia. Detto questo, gli astronomi hanno fatto molte ricerche, usando osservatori sempre più sensibili, hanno elaborato le loro teorie e ora stanno raccogliendo prove per aiutare ad approfondire questo mistero.
Gli astronomi hanno sviluppato due modelli per il modo in cui la struttura su larga scala dell'Universo si univa: dall'alto in basso e dal basso in alto.
Nel modello top down, un intero supercluster galattico si è formato all'improvviso da un'enorme nuvola di idrogeno primordiale rimasta dal Big Bang. Le stelle di un supercluster.
Quando la nuvola si unì, si sollevò, espellendo spirali più piccole e galassie nane. Questi avrebbero potuto combinarsi in un secondo momento per formare la struttura più complessa che vediamo oggi. I buchi neri supermassicci si sarebbero formati come i nuclei densi di queste galassie mentre si univano.
Se vuoi avvolgerti nella mente, pensa al vivaio stellare che ha formato il nostro Sole e un gruppo di altre stelle. Immagina una singola nuvola di gas e polvere che forma al suo interno più sistemi di stelle. Nel tempo, le stelle sono maturate e si sono allontanate l'una dall'altra.
È dall'alto in basso. Un grande evento che porta alla struttura che vediamo oggi.
Nel modello dal basso verso l'alto, sacche di gas e polvere si raccoglievano in masse sempre più grandi, formando infine galassie nane e persino i cluster e i super cluster che vediamo oggi. I buchi neri supermassicci nel cuore delle galassie sono cresciuti da collisioni e fusioni tra buchi neri per eoni.
In realtà, questo è in realtà il modo in cui gli astronomi pensano che si formino i pianeti nel Sistema Solare. Con pezzi di polvere che si attraggono l'un l'altro in grani sempre più grandi fino a quando gli oggetti di dimensioni planetarie si sono formati nel corso di milioni di anni.
In basso, piccole parti che si uniscono.
Poco dopo il Big Bang, l'intero Universo era incredibilmente denso. Ma non era la stessa densità ovunque. Piccole fluttuazioni quantistiche di densità all'inizio si sono evolute nel corso di miliardi di anni di espansione nei supercluster galattici che vediamo oggi.
Voglio fermarmi e lasciarlo affondare nel tuo cervello per un secondo. Ci sono state microscopiche variazioni di densità nell'universo primordiale. E queste variazioni sono diventate le strutture di centinaia di milioni di anni luce che vediamo oggi.
Immagina le due forze in gioco mentre l'espansione dell'Universo è avvenuta. Da un lato, hai la gravità reciproca delle particelle che si uniscono. E d'altra parte, hai l'espansione dell'Universo che separa le particelle l'una dall'altra. Le dimensioni delle galassie, dei cluster e dei supercluster furono decise dal punto di equilibrio di quelle forze opposte.
Se piccoli pezzi si unissero, otterrai quella formazione dal basso verso l'alto. Se pezzi grandi si unissero, otterrai quella formazione dall'alto verso il basso.
Quando gli astronomi guardano nell'Universo alla scala più ampia, osservano i cluster e i supercluster per quanto possono vedere, il che supporta il modello top down.
D'altra parte, le osservazioni mostrano che le prime stelle si sono formate solo poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, che sostiene dal basso verso l'alto.
Quindi la risposta è entrambe?
No, le osservazioni più moderne danno il vantaggio ai processi dal basso verso l'alto.
La chiave è che la gravità si muove alla velocità della luce, il che significa che le interazioni gravitazionali tra le particelle che si diffondono l'una dall'altra devono raggiungere, andando alla velocità della luce.
In altre parole, non otterrai un valore di materiale di un supercluster che si riunisce, ma solo materiale di una stella. Ma queste prime stelle erano fatte di idrogeno ed elio puri e potevano crescere molto più massicce delle stelle che abbiamo oggi. Vivrebbero veloci e morirebbero in esplosioni di supernova, creando buchi neri molto più massicci di quelli che otteniamo oggi.
Le prime protogalassie si unirono, raccogliendo questi primi buchi neri mostruosi e le enormi stelle che li circondavano. E poi, nel corso di milioni e miliardi di anni, questi buchi neri si sono fusi ancora e ancora, accumulando milioni e persino miliardi di volte la massa del Sole. È così che abbiamo ottenuto le galassie moderne che vediamo oggi.
C'è stata una recente osservazione a supporto di questa conclusione. All'inizio di quest'anno, gli astronomi hanno annunciato la scoperta di buchi neri supermassicci al centro di galassie relativamente piccole. Nella nostra Via Lattea, il buco nero supermassiccio è 4,1 milioni di volte la massa del Sole, ma rappresenta solo lo 0,01% della massa totale della galassia.
Ma gli astronomi dell'Università dello Utah hanno trovato due galassie ultra compatte con buchi neri rispettivamente di 4,4 e 5,8 milioni di volte la massa del Sole. Eppure, i buchi neri rappresentano il 13 e il 18 percento della massa delle loro galassie ospiti.
Il pensiero è che una volta queste galassie erano normali, ma si scontrarono con altre galassie nella storia dell'Universo, furono spogliate delle loro stelle e poi furono sputate per vagare nel cosmo.
Sono le vittime di quei primi eventi di fusione, prove della carneficina avvenuta nell'universo primordiale quando avvenivano le fusioni.
Parliamo sempre dei misteri irrisolti nell'Universo, ma questo è uno che gli astronomi stanno iniziando a risolvere.
Sembra molto probabile che la struttura dell'Universo che vediamo oggi si sia formata dal basso verso l'alto. Le prime stelle si unirono in protogalassie, morendo come supernova per formare i primi buchi neri. La struttura dell'Universo che vediamo oggi è il risultato finale di miliardi di anni di formazione e distruzione. Con i buchi neri supermassicci che si uniscono nel tempo.
Una volta che telescopi come James Webb si mettono al lavoro, dovremmo essere in grado di vedere questi pezzi che si uniscono, ai margini dell'Universo osservabile.
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