Come creare un buco nero dal nulla

Quanti modi ci sono per lasciare questo universo?

Forse il regista più famoso comporta la morte di una star. Nel 1939, il fisico J. Robert Oppenheimer e il suo studente Hartland Snyder, dell'Università della California, Berkeley, scoprirono che quando una stella sufficientemente massiccia esaurisce il combustibile termonucleare, collassa verso l'interno e continua a collassare per sempre, restringendo spazio, tempo e spazio. La luce si trasforma in quello che oggi chiamiamo buco nero.

Ma si scopre che una stella morta potrebbe non essere necessaria per formare un buco nero. Invece, almeno nell’universo primordiale, gigantesche nubi di gas primordiale potrebbero essere collassate direttamente nei buchi neri, superando i loro milioni di anni trascorsi come celebrità.

Questa è la conclusione a cui è recentemente giunto un gruppo di astronomi che studiano UHZ-1, un granello di luce risalente a non molto tempo dopo il Big Bang. In effetti, UHZ-1 è (o era) un potente quasar che sparava fuoco e raggi X da un buco nero supermassiccio 13,2 miliardi di anni fa, quando l’universo non aveva nemmeno 500 milioni di anni.

In termini cosmologici, questo è insolitamente vicino, poiché un buco nero supermassiccio potrebbe formarsi attraverso collassi e fusioni stellari. Priyamvada Natarajan, astronomo dell'Università di Yale e autore principale di Articolo pubblicato sulla rivista Astrophysical LettersLei e i suoi colleghi confermano di aver scoperto in UHZ-1 un nuovo tipo celeste, che chiamano galassia del buco nero supermassiccio, o OBG. Fondamentalmente, l'OBG è una giovane galassia ancorata a un buco nero che è diventato molto grande, molto rapidamente. .

La scoperta di questo primo quasar potrebbe aiutare gli astronomi a risolvere un mistero correlato che li ha sconcertati per decenni. Quasi ogni galassia visibile nell’universo moderno sembra contenere al proprio centro un buco nero supermassiccio, milioni o trilioni di volte la massa del Sole. Da dove vengono quei mostri? È possibile che i normali buchi neri crescano così rapidamente?

La dottoressa Natarajan e i suoi colleghi suggeriscono che UHZ-1, e forse molti buchi neri supermassicci, abbiano avuto origine come nubi primordiali. Queste nubi potrebbero essere collassate in nuclei che erano pesanti, abbastanza da iniziare la crescita delle galassie di buchi neri supermassicci. È un altro promemoria del fatto che l'universo che vediamo è governato da un'invisibile geometria dell'oscurità.

“Come primo candidato OBG, UHZ-1 fornisce prove convincenti della formazione di proto-semi pesanti dal collasso diretto nell'Universo primordiale”, hanno scritto la dottoressa Natarajan e i suoi colleghi. “Sembra che la natura crei i semi di BH in molti modi”, ha aggiunto in un'e-mail, “oltre alla semplice morte delle stelle!”

“Bria ha trovato un buco nero molto interessante, se è vero”, ha detto Daniel Holz, un teorico dell'Università di Chicago che studia i buchi neri.

Ha aggiunto: “È semplicemente troppo grande e troppo presto. È come guardare in un'aula dell'asilo e tra tutti i bambini di 5 anni ce n'è uno che pesa 150 libbre e/o è alto un metro e ottanta.

Secondo la storia che gli astronomi continuano a raccontarsi sull'evoluzione dell'universo, le prime stelle si sono condensate da nubi di idrogeno ed elio rimaste dal Big Bang. Bruciarono caldi e veloci, esplodendo e collassando rapidamente per formare buchi neri da 10 a 100 volte la massa del Sole.

Nel corso degli eoni, generazioni successive di stelle si sono formate dalle ceneri delle stelle precedenti, arricchendo la chimica dell'universo. I buchi neri rimasti dalla loro morte continuarono a fondersi e a crescere in qualche modo, formando buchi neri supermassicci al centro delle galassie.

Il telescopio spaziale James Webb, lanciato due anni fa questo Natale, è stato progettato per testare questa idea. Ha lo specchio più grande dello spazio, misura 21 piedi di diametro. Soprattutto, è stato progettato per registrare le lunghezze d'onda infrarosse emesse dalla luce delle stelle più distanti e quindi più antiche dell'universo.

Ma una volta puntato verso il cielo, il nuovo telescopio ha potuto vedere nuove galassie così massicce e luminose da sfidare le aspettative dei cosmologi. Negli ultimi due anni si è discusso se queste osservazioni effettivamente minacciassero un modello di universo di lunga data. Il modello descrive l’universo come costituito da una traccia di materia visibile, quantità sorprendenti di “materia oscura”, che fornisce la gravità per tenere insieme le galassie, e di “energia oscura”, che spinge queste galassie a parte.

La scoperta di UHZ-1 rappresenta un punto di svolta in queste discussioni. Per prepararsi alle future osservazioni con il telescopio spaziale James Webb di un enorme ammasso di galassie nella costellazione dello Scultore, il team del dottor Natarajan ha richiesto del tempo presso l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA. La massa dell'ammasso agisce come una lente gravitazionale, ingrandendo gli oggetti dietro di esso nello spazio e nel tempo. I ricercatori speravano di ottenere una visione a raggi X di qualunque cosa l'obiettivo potesse vedere.

Ciò che hanno trovato era un quasar alimentato da un buco nero supermassiccio circa 40 milioni di volte la massa del Sole. Ulteriori osservazioni del telescopio Webb hanno confermato che si trovava a 13,2 miliardi di anni luce di distanza. (L'ammasso dello Scultore si trova a circa 3,5 miliardi di anni luce di distanza.) Era il quasar più lontano e più antico mai scoperto nell'universo.

“Avevamo bisogno di Webb per trovare questa galassia straordinariamente distante, e di Chandra per trovare il suo buco nero supermassiccio”, ha detto in un comunicato stampa Akos Bogdan del Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian. “Abbiamo anche approfittato di una lente d’ingrandimento cosmica che ha aumentato la quantità di luce rilevata”.

I risultati indicano che i buchi neri supermassicci esistevano 470 milioni di anni dopo il Big Bang. Non è abbastanza tempo per consentire ai buchi neri creati dalla prima generazione di stelle – che vanno da 10 a 100 masse solari – di diventare così grandi.

Esisteva un altro modo per formare buchi neri più grandi? Nel 2017, il dottor Natarajan ha suggerito che il collasso delle nubi di gas primordiali potrebbe dare vita a buchi neri 10.000 volte più massicci del Sole.

“Si può quindi immaginare che uno di essi cresca in seguito fino a formare questo piccolo e grande buco nero”, ha detto il dottor Holz. Di conseguenza, ha osservato, “in ogni momento successivo nella storia dell'universo, ci saranno sempre dei buchi neri sorprendentemente grandi”.

“Il fatto che questi oggetti inizino una vita ipermassiccia significa che è probabile che alla fine si evolvano in buchi neri supermassicci”, ha detto il dottor Natarajan. Ma nessuno sa come funziona. I buchi neri costituiscono il 10% della massa del primo quasar UHZ-1, mentre costituiscono meno di un millesimo della massa delle galassie moderne come la galassia gigante Messier 87, il cui buco nero ha una massa di 6,5 masse. Un miliardo di masse solari quando la sua immagine è stata scattata dall’Event Horizon Telescope nel 2019.

Ciò suggerisce che gli effetti di complessi feedback ambientali dominano la crescita e l’evoluzione di queste galassie e dei loro buchi neri, inducendoli ad accumulare più massa nelle stelle e nel gas.

“In effetti, questi primissimi OBG stanno trasmettendo e illuminando più informazioni sulla fisica del seme piuttosto che sulla successiva crescita e sviluppo”, ha detto il dottor Natarajan. “Anche se ha implicazioni importanti”, ha aggiunto.

“Sarebbe sicuramente fantastico se ciò accadesse, ma non lo so davvero”, ha detto il dottor Holz. “Sarà una storia affascinante indipendentemente da come verrà risolto il mistero dei primi grandi buchi neri”, ha aggiunto.