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Collasso diretto di buchi neri supermassicci

Non c’è bisogno di una stella che collassa per avere un buco nero supermassiccio. E questo spiega perché questo tipo di oggetti potevano essere presenti anche nell’epoca primordiale dell’universo. Lo afferma un nuovo studio pubblicato sulle “Astrophysical Journal Letters” da Shantanu Basu e Arpan Das della University of Western Ontario, in Canada.

I buchi neri supermassicci sono una tipologia di buchi neri caratterizzata da una massa molto elevata, che arriva a milioni o miliardi di volte la massa del Sole. Malgrado le loro caratteristiche estreme però non sono oggetti rari: si stima che ogni galassia o quasi ospiti nel proprio nucleo un buco nero supermassiccio.

Sulla loro origine non c’è accordo tra gli astrofisici. Una prima ipotesi è che derivino dall’accrescimento di buchi neri di dimensioni normali, che a loro volta sono l’esito ultimo del collasso di stelle giunte al termine del loro ciclo vitale. Quando infatti le reazioni di fusione nucleare all’interno della stella hanno trasformato quasi tutto l’idrogeno in elio, la pressione di radiazione verso l’esterno non è più in grado di contrastare la forza gravitazionale che agisce in senso opposto, e tutta la massa tende a concentrarsi nel nucleo.

Altre ipotesi prevedono invece che i buchi neri supermassicci si formino in seguito al collasso di particolari tipologie di stelle o di ammassi stellari.

Nell’ultimo decennio il panorama delle conoscenze su questo argomento si è arricchito di numerose osservazioni di buchi neri supermassicci estremamente lontani, che ci appaiono quindi com’erano poche centinaia di milioni di anni dopo l’origine dell’universo. Ciò depone a favore di una formazione molto rapida e diretta di questi oggetti.

Tenuto conto di questi dati, Basu e Das propongono ora nuovo modello di formazione dei buchi neri supermassicci basato su un’idea di base molto semplice: la loro origine è un collasso molto rapido.

“I buchi neri supermassicci hanno avuto solo un periodo di tempo breve per formarsi e crescere, e a un certo punto la loro produzione nell’universo è cessata”, ha spiegato Basu. “È questo lo scenario del collasso diretto”.

Le simulazioni al computer dei due autori mostrano che le osservazioni e i dati sperimentali dei buchi neri supermassicci già presenti in un’epoca primordiale dell’universo sono compatibili con un accrescimento esponenziale del buco nero, che inizia la sua vita con una massa compresa tra 10.000 e 100.000 masse solari.

buco nero supermassiccio
Visione artistica di un buco nero supermassiccio al centro di una galassia

I buchi neri supermassicci si ritengono essere al centro di ogni galassia, compresa la Via Lattea, ma la loro natura è di difficile comprensione. Nella maggioranza dei casi la loro origine si può spiegare in termini di collasso stellare. Stelle giganti, di almeno cinque masse solari, collassano su se stesse fino al punto in cui si viene a formare una singolarità infinitamente densa e infinitamente piccola. Nasce un buco nero che, nella sua incessante attività di attrazione gravitazionale, cattura altre stelle che ne aumentano continuamente la massa.

Tuttavia questo meccanismo non può spiegare la formazione dei buchi neri che si trovano al centro dei quasar. Essi sono gli oggetti più antichi mai osservati, nati poche centinaia di milioni di anni dopo il big bang. Si ritiene che la loro enorme luminosità, se comparata all’enorme distanza, sia originata dall’accrescimento continuo di materiale nel buco nero supermassiccio centrale. Per questi buchi neri la spiegazione del collasso stellare non è più valida e negli anni è stato introdotto il modello del collasso diretto.

La crescita dei buchi neri tramite collasso diretto si stima sia iniziata quando erano passati circa 400 milioni di anni dal big bang e sia proseguita per altri 150 milioni di anni. Durante questo lasso di tempo la crescita del buco nero avviene esponenzialmente in regime di limite di super-Eddington. Il limite di Eddington definisce il massimo valore di luminosità che un oggetto può raggiungere quando la pressione verso l’esterno, causata dalla radiazione emessa, controbilancia la forza gravitazionale che tende a farlo collassare. È possibile che nei casi più estremi, come i buchi neri supermassicci, questo limite venga superato. Si parla quindi di regime di super-Eddington e per questi oggetti l’unico destino possibile è il collasso gravitazionale.

Tuttavia, l’accrescimento in regime di super-Eddington si arresta bruscamentequando, nella nube che ospita il buco nero, la radiazione emessa dalla materia in accrescimento ionizza le molecole della nube disperdendo il gas. Anche questa fase, detta fotoevaporazione, viene descritta dal modello messo a punto da Basu e Das.

«I buchi neri supermassicci hanno avuto solo un breve periodo di tempo in cui sono stati in grado di crescere velocemente e poi, a un certo punto, a causa di tutte le radiazioni nell’universo create da altri buchi neri e stelle, la loro produzione si fermò», spiega Basu, primo autore dell’articolo e professore di astronomia alla Western University. «Questa è l’evidenza osservativa indiretta che i buchi neri si originano tramite collasso diretto piuttosto che da resti stellari».

L’importanza della ricerca dei due studiosi risiede nel fatto che le leggi che governano il collasso diretto sono in accordo con le osservazioni e, soprattutto, con i modelli numerici sviluppati fino a oggi: questi modelli, infatti, si basano su interpolazioni di dati, cercando di ricostruire a posteriori la legge che meglio descrive la distribuzione della massa dei buchi neri supermassicci da collasso diretto. Basu e Das hanno individuato una relazione fisica, basata sul limite di super-Eddington, che descrive perfettamente la distribuzione osservata.

I risultati così ottenuti potranno essere utilizzati per future osservazioni, in particolare dal promettente James Webb Telescope, per studiare più a fondo la storia e l’origine di questi giganteschi buchi neri nati quando l’universo era ancora in fasce.

Formazione ed evoluzione

Dato il carattere bizzarro dei buchi neri, è stato a lungo in dubbio se tali oggetti potessero effettivamente esistere in natura o se fossero solo soluzioni patologiche alle equazioni di Einstein. Lo stesso Einstein pensava erroneamente che i buchi neri non si sarebbero formati, perché sosteneva che il momento angolare delle particelle collassanti avrebbe stabilizzato il loro moto a un certo raggio. Ciò portò la comunità della relatività generale a respingere tutti i risultati in senso contrario per molti anni. Tuttavia, una minoranza di relativisti ha continuato a sostenere che i buchi neri erano oggetti fisici, e alla fine degli anni ’60, avevano persuaso la maggioranza dei ricercatori sul campo che non vi era alcun ostacolo alla formazione di un orizzonte degli eventi.

Penrose ha dimostrato che una volta formato un orizzonte degli eventi, la relatività generale senza la meccanica quantistica richiede che si formi una singolarità all’interno. Poco dopo, Hawking mostrò che molte soluzioni cosmologiche che descrivono il Big Bang hanno singolarità senza campi scalari o altre materie esotiche ” Teoremi di singolarità di Penrose-Hawking “. La soluzione di Kerr, il teorema di no-hair e le leggi della termodinamica del buco nero ha dimostrato che le proprietà fisiche dei buchi neri erano semplici e comprensibili, rendendole soggetti rispettabili per la ricerca. I buchi neri convenzionali sono formati dal collasso gravitazionale di oggetti pesanti come le stelle, ma possono anche in teoria essere formati da altri processi.

Collasso gravitazionale

Il collasso gravitazionale si verifica quando la pressione interna di un oggetto non è sufficiente per resistere alla gravità dell’oggetto stesso. Per le stelle questo si verifica in genere perché una stella ha troppo poco “carburante” rimasto per mantenere la sua temperatura attraverso la nucleosintesi stellare, o perché una stella che sarebbe stata stabile riceve materia extra in un modo che non aumenta la sua temperatura interna. In entrambi i casi la temperatura della stella non è più abbastanza alta da impedirne il collasso sotto il suo stesso peso. Il collasso può essere fermato dalla pressione degenerativa dei costituenti della stella, consentendo la condensazione della materia in uno stato più esotico . Il risultato è uno dei vari tipi di stella compatta. Le forme di tipo dipendono dalla massa del rimanente della stella originale rimasta dopo che gli strati esterni sono stati spazzati via. Tali esplosioni e pulsazioni portano alla nebulosa planetaria. Questa massa può essere sostanzialmente inferiore alla stella originale. I resti superiori a 5  M sono prodotti da stelle che erano oltre 20  Mprima del crollo.

Se la massa del rimanente supera circa 3-4  M (il limite Tolman-Oppenheimer-Volkoff ), o perché la stella originale era molto pesante o perché il resto raccoglieva massa aggiuntiva attraverso l’accrescimento della materia, anche la pressione della degenerazione di neutroni è insufficiente per fermare il collasso. Nessun meccanismo conosciuto (tranne forse la pressione di degenerazione di quark, vedi la stella di quark ) è abbastanza potente da fermare l’implosione e l’oggetto inevitabilmente collasserà per formare un buco nero.

Collasso diretto di buchi neri supermassicci 1
Impressione dell’artista del seme supermassiccio del buco nero

Si presume che il collasso gravitazionale di stelle pesanti sia responsabile della formazione di buchi neri di massa stellare. La formazione di stelle nell’universo primordiale potrebbe aver provocato stelle molto massicce, che al loro collasso avrebbero prodotto buchi neri fino a 10  M . Questi buchi neri potrebbero essere i semi dei buchi neri supermassicci trovati nei centri della maggior parte delle galassie. È stato inoltre suggerito che buchi neri supermassicci con masse tipiche di ~ 10 5 M potrebbero essersi formati dal collasso diretto delle nubi di gas nel giovane universo. Alcuni candidati per tali oggetti sono stati trovati nelle osservazioni del giovane universo.

Mentre la maggior parte dell’energia rilasciata durante il collasso gravitazionale viene emessa molto rapidamente, un osservatore esterno non vede realmente la fine di questo processo. Anche se il collasso richiede una quantità di tempo limitata dal fotogramma di riferimento della materia in caduta, un osservatore distante vedrebbe il materiale che si blocca lentamente e si fermerà appena sopra l’orizzonte degli eventi, a causa della dilatazione del tempo gravitazionale. La luce dal materiale che crolla impiega sempre più tempo a raggiungere l’osservatore, con la luce emessa poco prima che l’orizzonte degli eventi si ritardi in un tempo infinito. Quindi l’osservatore esterno non vede mai la formazione dell’orizzonte degli eventi; invece, il materiale collassante sembra diventare più debole e sempre più spostato verso il rosso, alla fine svanendo.

Simulazione del meccanismo del collasso diretto

I buchi neri si formano quando le stelle muoiono e parte della materia di cui erano costituite collassa in un oggetto estremamente denso dal quale nemmeno la luce può fuggire. Gli astronomi hanno però ipotizzato un altro processo che potrebbe portare alla formazione di buchi neri, che riguarda le prime fasi di formazione delle galassie. Secondo questa teoria, i buchi neri massicci potrebbero essersi formati alla nascita della galassia, ma finora nessuno è mai stato in grado di guardare sufficientemente lontano, e quindi abbastanza indietro nel tempo, da osservare le condizioni indiziali che avrebbero portato alla formazione di questi buchi neri particolari, chiamati Direct Collapse Black Holes (Dcbh): buchi neri dal collasso diretto.

Il James Webb Space Telescope (Jwst), il cui lancio è programmato nel 2021, potrebbe essere in grado di scrutare l’universo primordiale e vedere le galassie che ospitano enormi buchi neri di questo tipo, nella loro prima fase di vita. Volendo essere pragmatici, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno condotto una simulazione finalizzata a identificare quello che gli astronomi dovrebbero cercare per riuscire a trovare un Dcbh nelle sue fasi iniziali: la pistola fumante di questo nuovo tipo di buco nero.

La prima simulazione di questo tipo che sia mai stata fatta, riportata il 10 settembre sulla rivista Nature Astronomy, suggerisce che la formazione diretta di questi buchi neri sarebbe accompagnata da un tipo specifico di intese radiazioni, come raggi X ed emissioni ultraviolette che dovremmo ritrovare nell’infrarosso nel momento in cui raggiungono il telescopio. Inoltre, inaspettatamente, sembra che la formazione di buchi neri sia in grado di generare enormi stelle prive di metalli.

«Ci sono buchi neri supermassicci al centro di molte grandi galassie, ma non siamo mai stati in grado di osservare il modo in cui tali buchi neri si sono formati o il modo in cui sono diventati così grandi», dice Kirk SS Barrow, primo autore dell’articolo. «Gli scienziati hanno teorizzato che questi buchi neri supermassicci potrebbero essersi formati alla nascita della galassia e il nostro obiettivo è stato quello di trasformare queste previsioni teoriche in previsioni osservative per James Webb Space Telescope».

La formazione del Dcbh sarebbe iniziata dal collasso di una grande nube di gas, durante le prime fasi di formazione di una galassia, riferisce John H. Wise, professore alla Georgia Tech’s School of Physics and the Center for Relativistic Astrophysics. Ma per sperare di catturare questo momento di formazione, è importante che gli astronomi sappiano cosa cercare negli spettri che il telescopio andrà a rilevare, principalmente nella banda infrarossa dello spettro elettromagnetico.

La formazione di un buco nero potrebbe richiedere circa un milione di anni e per riuscire ad immaginare cosa potrebbe essere successo, Aycin Aykutalp del Los Alamos National Laboratory, ha utilizzato il Supercomputer Stampede per eseguire una simulazione i cui alcuni ingredienti sono stati la gravità, la pressione di radiazione e l’idrodinamica. L’obiettivo della simulazione è stato quello di capire quali potrebbero essere state le conseguenze della formazione del Dcbh. «Se prima si fosse formata la galassia e successivamente il buco nero nel suo centro, troveremmo certe evidenze» ha detto Wise. «Ma se invece si formasse prima il buco nero, le evidenze che troveremmo sarebbero diverse? Questa è la domanda alla quale abbiamo cercato di dare una risposta. Volevamo scoprire se ci sarebbero state differenze fisiche e, se così fosse, se queste differenze si tradurrebbero in differenze che potremmo osservare con il James Webb Space Telescope».

Le simulazioni hanno fornito informazioni come densità e temperature, e Barrow ha convertito i dati in previsioni di ciò che potrebbe essere osservato dal telescopio: il tipo di radiazione da osservare e come sarebbe influenzata dal gas e dalla polvere che avrebbe incontrato nel suo lungo viaggio verso Terra. «Alla fine, abbiamo trovato qualcosa che un osservatore potrebbe sperare di vedere», ha detto Barrow.

I buchi neri richiedono circa un milione di anni per formarsi, un battito di ciglia rispetto ai tempi galattici. Nella simulazione Dcbh, il primo passo ha coinvolto il gas che collassa in una stella supermassiccia, fino a 100 mila volte più massiccia del nostro Sole. La stella subisce quindi l’instabilità gravitazionale e collassa su se stessa per formare un enorme buco nero. La simulazione a questo punto suggerisce che la radiazione dal buco nero innesca la formazione di stelle per un periodo di circa mezzo milione di anni.

«Le stelle di questa prima generazione sono di solito molto più massicce, pertanto vivono per un periodo di tempo più breve», ha detto Wise. «Nei primi cinque o sei milioni di anni dopo la loro formazione, muoiono e concludono la loro vita come supernove. Questa è un’altra evidenza che abbiamo trovato in questo studio».

Dopo l’esplosione della supernova, il buco nero si calma ma subentra una lotta tra le emissioni elettromagnetiche (la luce ultravioletta e i raggi X che cercano di fuggire) e la gravità del buco nero. «Questi cicli vanno avanti per altri 20 o 30 milioni di anni», riferisce Wise.

Siccome i buchi neri sono relativamente comuni nell’universo, la speranza è che con abbastanza istantanee del Jwst, gli astronomi possano catturarne uno appena nato, che potrebbe portare a una nuova comprensione di come le galassie si evolvono nel tempo.

La formazione delle stelle attorno al Dcbh che i ricercatori hanno riscontrato è stata inaspettata, ma a ben vedere piuttosto sensata, ha concluso Barrow. La ionizzazione prodotta dai buchi neri produrrebbe reazioni fotochimiche in grado di innescare la formazione stellare. Le stelle prive di elementi pesanti tendono ad essere più grandi di altre perché l’assenza di un metallo, come il ferro, impedisce la frammentazione. Ma poiché sono così grandi, queste stelle producono enormi quantità di radiazioni e finiscono la loro vita come supernove.

«Questo è uno degli ultimi grandi misteri dell’universo primordiale», ha detto Barrow. «Ci auguriamo che questo studio rappresenti un buon passo avanti verso la comprensione di come questi buchi neri supermassicci si sono formati alla nascita di una galassia».

 

Approfondimenti e riferimenti

  1. The Astrophysical Journal Letters l’articolo “TheMass Function of Supermassive Black Holes in the Direct-collapse Scenario”, di S. Basu e A. Das
  2. “Quei buchi neri che mai furono stelle” – Marco Dian – INAF
  3. Fulvio Melia, The Edge of Infinity. Supermassive Black Holes in the Universe, Cambridge University Press, 2003, ISBN 978-0-521-81405-8.
  4. M. C. Begelman et al.Formation of supermassive black holes by direct collapse in pre-galactic haloes, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

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