Il super-computer Aterui al Center for Computational Astrophysics (CfCA) del National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Crediti: NAOJ
È nato prima l’uovo o la gallina? Gli astrofisici si trovano di fronte a un dilemma simile quando cercano di capire come possano formarsi buchi neri super-massicci nell’universo primordiale. Sono state avanzate diverse ipotesi e abbiamo dato conto recentemente su Media Inaf di una possibile spiegazione avanzata da un gruppo di ricerca tutto al femminile.
Ora sulla rivista Science è uscito un nuovo studio in cui un team internazionale di ricercatori ha usato con successo una simulazione al super-computer Aterui per ricreare la formazione di un buco nero massiccio sotto la spinta di flussi di gas supersonici lasciati dal Big Bang. Nell’articolo viene illustrato come un buco nero di questo tipo potrebbe essere l’origine della nascita e dello sviluppo dei buchi neri super-massicci più grandi e più antichi osservati nell’universo.
«Questo è un progresso significativo. L’origine dei buchi neri di dimensioni mostruose è stato un mistero per molto tempo e ora abbiamo una soluzione in mano», afferma il primo firmatario dell’articolo, Naoki Yoshida dell’istituto giapponese Kavli per la fisica e la matematica dell’universo.
Naoki Yoshida. Crediti：JICFuS
La scoperta dell’esistenza di buchi neri super-massicci situati a una distanza di quasi 13 miliardi di anni luce, corrispondente a un età in cui l’universo aveva solo il cinque per cento della sua età attuale, ha posto una seria sfida alle teorie vigenti sulla formazione ed evoluzione dei buchi neri. Secondo queste teorie, infatti, i buchi neri con masse di milioni o miliardi di volte quella del Sole si accrescerebbero secondo un processo che richiede molto tempo, o condizioni molto particolari.
Yoshida e colleghi hanno identificato un promettente processo fisico attraverso il quale un enorme buco nero potrebbe formarsi abbastanza velocemente. Il punto cardine del loro studio è stato di incorporare nel modello teorico l’effetto dei moti di gas supersonici rispetto alla materia oscura.
Le simulazioni svolte dal gruppo di ricerca al super-computer hanno mostrato come un ammasso voluminoso di materia oscura si possa essere formato quando l’universo aveva solo 100 milioni di anni.
Proiezione della distribuzione di densità delle componenti di materia oscura (pannello di sfondo e in alto) e gas (tre riquadri in basso) quando si formano le stelle massicce. Crediti: Shingo Hirano/Kavli IPMU
Flussi di gas supersonici generati dal Big Bang hanno interagito con la materia oscura per formare una densa e turbolenta nube di gas, all’interno della quale ha iniziato a formarsi una protostella. Grazie alla sovrabbondanza di gas circostante disponibile, la stella è stata in grado di crescere molto in un breve lasso di tempo, rilasciando poca energia radiativa.
«Una volta raggiunta la massa di 34 mila volte quella del nostro Sole, la stella è collassata sotto la propria gravità, producendo un enorme buco nero», spiega Yoshida. «Questi buchi neri massicci nati nell’universo primordiale hanno continuato a crescere e fondersi assieme, per diventare alla fine un buco nero super-massiccio».
Secondo gli autori della simulazione, il risultato di questo studio sarà importante per la ricerca futura sull’accrescimento di buchi neri massicci, soprattutto considerando l’aumento del numero di osservazioni di buchi neri nell’universo lontano che, con ogni probabilità, si verificherà quando entrerà in funzione il nuovo telescopio spaziale James Webb della Nasa, il cui lancio è previsto per il prossimo anno.
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo pubblicato su Science “Supersonic Gas Streams Enhance the Formation of Massive Black Holes in the Early Universe”, di Shingo Hirano, Takashi Hosokawa, Naoki Yoshida, Rolf Kuiper