Gli astronomi hanno trovato alcuni buchi neri supermassicci estremamente vecchi, quelli che si sono formati quando l'Universo era piuttosto giovane. Ma erano perplessi su come un buco nero potesse crescere a dimensioni così grandi quando l'Universo stesso era solo un bambino.
Gli astronomi hanno ora scoperto che una serie unica di condizioni erano presenti mezzo miliardo di anni dopo il Big Bang che consentiva la formazione di questi mostri buchi neri. Un'insolita fonte di radiazioni intense ha creato quelli che sono chiamati "buchi neri a collasso diretto".
"È un miracolo cosmico", ha detto Volker Bromm dell'Università del Texas ad Austin, che ha lavorato con diversi astronomi alla scoperta. "È l'unica volta nella storia dell'universo in cui le condizioni sono giuste per loro di formarsi."
La comprensione convenzionale di come si formano i buchi neri è chiamata teoria dell'accrescimento, in cui una stella estremamente massiccia collassa e i "semi" del buco nero sono costruiti dal collasso estraendo gas dall'ambiente circostante e dalle fusioni di piccoli buchi neri. Ma questo processo richiede molto tempo, molto più a lungo del tempo in cui si sono verificati questi buchi neri che si formano rapidamente. Inoltre, l'universo primordiale non aveva le quantità di gas e polvere necessarie ai buchi neri supermassicci per raggiungere le loro dimensioni gigantesche.
Le nuove scoperte suggeriscono invece che alcuni dei primi buchi neri si formarono direttamente quando una nuvola di gas collassò, aggirando qualsiasi altra fase intermedia, come la formazione e la successiva distruzione di una stella massiccia.
Naturalmente, come ogni buco nero, questi buchi neri di "collasso diretto" non possono essere visti. Ma c'erano forti prove della loro esistenza, poiché sono necessarie per alimentare i quasar altamente luminosi rilevati nel giovane universo. La grande luminosità di un quasar deriva dalla spirale della materia in un buco nero supermassiccio, che si riscalda a milioni di gradi, creando getti che brillano come fari in tutto l'Universo. Ma poiché la teoria dell'accrescimento non spiega i buchi neri supermassicci in un universo estremamente distante - e quindi giovane -, gli astronomi non sono stati in grado di spiegare nemmeno i quasar. Questo è stato chiamato "il problema del seme quasar".
"I quasar osservati nell'universo primordiale assomigliano a bambini giganti in una sala parto piena di bambini normali", ha detto Avi Loeb del Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian, che ha lavorato con Bromm. “Rimane da chiedersi: cosa c'è di speciale nell'ambiente che ha nutrito questi bambini giganti? In genere il serbatoio di gas freddo nelle galassie vicine come la Via Lattea viene consumato principalmente dalla formazione stellare. "
Ma nel 2003, Bromm e Loeb hanno avuto l'idea teorica di ottenere una prima galassia per formare un buco nero di seme supermassiccio, sopprimendo l'apporto energetico altrimenti proibitivo dalla formazione stellare. Hanno chiamato il processo "collasso diretto".
"Inizia con una" nuvola primordiale di idrogeno ed elio, soffusa in un mare di radiazioni ultraviolette ", ha detto Bromm. “Sbricioli questa nuvola nel campo gravitazionale di un alone di materia oscura. Normalmente, la nuvola sarebbe in grado di raffreddarsi e frammentarsi per formare stelle. Tuttavia, i fotoni ultravioletti mantengono caldo il gas, sopprimendo così qualsiasi formazione stellare. Queste sono le condizioni desiderate, quasi miracolose: collasso senza frammentazione! Man mano che il gas diventa sempre più compatto, alla fine hai le condizioni per un enorme buco nero. "
Questo insieme di condizioni cosmiche sembra esistito solo nell'universo primordiale e questo processo non avviene oggi nelle galassie.
Per testare la loro teoria, Bromm, Loeb e il loro collega Aaron Smith hanno iniziato a studiare una galassia chiamata CR7, identificata da un sondaggio del telescopio spaziale Hubble chiamato COSMOS come in circolazione a meno di 1 miliardo di anni dopo il Big Bang.
David Sobral dell'Università di Lisbona aveva fatto osservazioni di follow-up su CR7 con alcuni dei più grandi telescopi terrestri del mondo, tra cui Keck e il VLT. Questi hanno scoperto alcune caratteristiche estremamente insolite nella firma leggera proveniente da CR7. In particolare, la linea dell'idrogeno Lyman-alfa era più volte più luminosa del previsto. Sorprendentemente, lo spettro mostrava anche una linea di elio insolitamente luminosa.
"Qualunque cosa stia guidando questa fonte è molto calda, abbastanza calda da ionizzare l'elio", ha detto Smith, a circa 100.000 gradi Celsius.
Queste e altre caratteristiche insolite nello spettro significavano che poteva essere un ammasso di stelle primordiali o un buco nero supermassiccio probabilmente formato dal collasso diretto.
Smith ha eseguito simulazioni per entrambi gli scenari e mentre lo scenario del cluster stellare "ha fallito in modo spettacolare", ha affermato Smith, il modello del buco nero a collasso diretto ha funzionato bene.
Inoltre, all'inizio di quest'anno, i ricercatori hanno utilizzato i dati combinati dell'Osservatorio a raggi X Chandra, del telescopio spaziale Hubble e del telescopio spaziale Spitzer per identificare questi possibili semi del buco nero. Hanno trovato due oggetti, entrambi corrispondenti al profilo teorico nei dati a infrarossi. (leggi il loro documento qui.)
Sembra che gli astronomi stiano "convergendo su questo modello", ha detto Smith, per aver risolto il problema dei semi di quasar e il primo enigma del buco nero.
Rimanete sintonizzati.
Il lavoro di Bromm, Loeb e Smith è pubblicato sulla rivista Monthly Avvisi della Royal Astronomical Society.
fonti:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, Comunicato stampa per il rilevamento da parte della NASA di buchi neri a collasso diretto all'inizio di quest'anno.
