Scoperti alla SNS i progenitori dei buchi neri super-massicci

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Al centro della maggior parte delle galassie che ci circondano sono presenti dei buchi neri super-massicci, dalla massa di milioni o miliardi di volte quella del Sole. Nella nostra galassia, la Via Lattea, è presente un buco nero di quattro milioni di masse solari. Alcuni di questi buchi neri sono attivi e divorano enormi quantità di gas, irradiando la propria galassia ospite. Altri, come quello della Via Lattea, sono più quieti.

Le teorie attuali descrivono dettagliatamente il processo di formazione di buchi neri molto più piccoli, fino a qualche decina di masse solari. Questi oggetti si formano dal collasso di stelle più massicce del Sole, al termine del loro ciclo vitale. Dai buchi neri piccoli, di “taglia stellare”, è possibile formare buchi neri super-massicci attraverso un processo di crescita, realizzato accrescendo gas dall’ambiente oppure fondendosi con altri buchi neri. Tuttavia, questo processo richiede molto tempo, miliardi di anni, per giungere alla formazione di buchi neri super-massicci.

Come spesso avviene, la natura ci riserva un colpo di scena: questi buchi neri super-massicci non solo si osservano comunemente al centro delle galassie vicine, ma sono stati localizzati anche in galassie estremamente lontane, e quindi molto antiche, esistite quando l’Universo aveva circa 800 milioni di anni di età. Una piccola frazione rispetto ai circa 13-14 miliardi di anni attuali. Come sia possibile formare buchi neri di miliardi di masse solari in un tempo così breve è uno dei più grandi misteri della cosmologia moderna.

Una fra le teorie avanzate per risolvere questo enigma afferma che, nelle particolari condizioni ambientali dell’Universo primordiale, i buchi neri formatisi nel primo miliardo di anni dal Big Bang fossero molto più massicci di quelli formati al termine della vita di una stella recente. Non decine, ma fino a 100.000 volte più massicci del Sole. Questi oggetti sono denominati “buchi neri a collasso diretto”. Come suggerisce il nome, essi si sarebbero formati dal collasso diretto, ossia senza frammentazione, di enormi nubi di gas primordiale. Invece di formare 100.000 stelle simili al Sole, questo collasso avrebbe formato un solo, enorme, buco nero da 100.000 masse solari. L’esistenza di questi oggetti di massa intermedia renderebbe più comprensibile l’osservazione di buchi neri super-massicci nell’Universo primordiale. Essi rappresenterebbero l’anello mancante nella scala gerarchica dei buchi neri: né piccoli come quelli formati dal collasso delle stelle, né enormi come quelli osservati al centro delle galassie. I buchi neri a collasso diretto sono degli oggetti teorizzati dagli astrofisici, ma mai osservati finora.

Rappresentazione artistica del processo di formazione di un buco nero a collasso diretto. Gli inserti a destra, invece, rappresentano le immagini a raggi X (sopra) e ottiche (sotto) di una delle due sorgenti. Il buco nero è al centro di entrambe le immagini. CREDITS: X-ray: NASA/CXC/Scuola Normale Superiore/Pacucci, F. et al, Optical: NASA/STScI; Illustration: NASA/CXC/M. Weiss

Rappresentazione artistica del processo di formazione di un buco nero a collasso diretto. Gli inserti a destra, invece, rappresentano le immagini a raggi X (sopra) e ottiche (sotto) di una delle due sorgenti. Il buco nero è al centro di entrambe le immagini. CREDITS: X-ray: NASA/CXC/Scuola Normale Superiore/Pacucci, F. et al, Optical: NASA/STScI; Illustration: NASA/CXC/M. Weiss

 

In un recente studio guidato da Fabio Pacucci e Andrea Ferrara, cosmologi della Scuola Normale Superiore, gli autori ritengono di aver trovato un metodo semplice ed efficace per osservare i primi buchi neri che si sono formati nell’Universo. Secondo questo studio, è possibile riconoscere tali oggetti, fra i miliardi che popolano il cielo, dal loro colore. Osservati attraverso dei filtri fotometrici (che permettono di selezionare particolari lunghezze d’onda, in maniera simile ai filtri fotografici), questi oggetti apparirebbero molto più rossi degli altri oggetti osservabili nell’Universo primordiale. Fabio Pacucci, primo autore dello studio, spiega: “Questo arrossamento sarebbe causato dall’enorme quantità di materia presente nella galassia ospite e in collasso verso il buco nero primordiale. La luce emessa dal buco nero centrale perderebbe energia attraversando la galassia ospite e diventerebbe più rossa, meno energetica”. Ci si aspetta che l’arrossamento diminuisca progressivamente con il tempo, poiché il gas presente nella galassia ospite si riduce. Similmente al ciclo giornaliero del Sole, all’alba della loro vita questi buchi neri sono molto arrossati. Con l’approssimarsi del mezzogiorno i loro colori diventano più bianchi.

Questo metodo è stato applicato dagli autori dello studio, i quali hanno localizzato due oggetti molto antichi che potrebbero essere i primi buchi neri di questo tipo mai scoperti. Questi oggetti sono stati osservati nell’ottico e nell’infrarosso dai telescopi spaziali Hubble e Spitzer, all’interno della costellazione australe della Fornace. Inoltre, questi oggetti sono chiaramente visibili nei raggi X dal telescopio spaziale Chandra. L’emissione di radiazione energetica, come quella X, suggerisce che questi oggetti siano realmente dei buchi neri. I due oggetti si formarono quando l’Universo aveva meno di un miliardo di anni, meno di un decimo dell’età attuale.

Andrea Ferrara, professore di Cosmologia alla Normale, spiega: “Se questa scoperta fosse confermata, la nostra visione dei meccanismi di formazione dei buchi neri super-massicci cambierebbe radicalmente”. Infatti, i buchi neri a collasso diretto rappresenterebbero i progenitori dei buchi neri super-massicci attuali, localizzati al centro della maggior parte delle galassie. Di conseguenza, anche la nostra comprensione dei meccanismi di formazione delle galassie sarebbe considerevolmente migliorata.

Author: Marcos Valdes

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