L’immagine della simulazione di un Dcbh mostra la densità (a sinistra) e la temperatura (a destra) di una galassia che si sta formando. Le onde d’urto della supernova possono essere viste espandersi dal centro, distruggere e riscaldare la galassia. Crediti: Georgia Tech
È risaputo che 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.
Immagine simulata in falsi colori della radiazione ultravioletta, nella quale è evidente la spirale del gas riscaldato nel buco nero centrale. Crediti: Georgia Tech
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».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo Observational signatures of massive black hole formation in the early Universe di Kirk S. S. Barrow, Aycin Aykutalp e John H. Wise