Gli astronomi potrebbero aver rilevato la prima prova di “semi” di buchi neri pesanti nell’universo primordiale.
Questi cosiddetti semi potrebbero aiutare a spiegare come alcuni buchi neri supermassicci con masse milioni o addirittura miliardi di volte la massa del Sole possano crescere abbastanza velocemente da esistere meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang.
I semi di un buco nero supermassiccio sono probabilmente buchi neri oltre 40 milioni di volte la massa del nostro sole. Si pensa che si formino dal collasso diretto di un’enorme nube di gas, a differenza di un tipico buco nero creato quando una stella massiccia raggiunge la fine della sua vita e collassa sotto la sua stessa gravità. Le galassie che presumibilmente ospitano i semi di buchi neri massicci sono indicate come galassie di buchi neri supermassicci (OBG).
Queste galassie sono probabilmente molto lontane, viste attraverso il nostro telescopio com’erano quando l’universo aveva 13,8 miliardi di anni, da qualche parte circa 400 milioni di anni. E ora, gli scienziati potrebbero finalmente aver identificato uno di questi OBG.
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Il team, guidato dal ricercatore di Harvard e Smithsonian Center for Astrophysics Akos Bogdan, ha scoperto per la prima volta un oggetto con una massa caratteristica di un buco nero mentre studiava i quasar con il James Webb Space Telescope (JWST) e l’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA. Alimentati da buchi neri supermassicci, i quasar sono i nuclei energetici e altamente luminosi delle galassie. Possono essere così brillanti, infatti, da eclissare la luce combinata di ogni stella della galassia che ospitano.
Quello che Bogdan ei suoi colleghi hanno studiato vive in una galassia chiamata UHZ1.
Come si è scoperto, i dati di JWST e Chandra riguardanti UHZ1 erano coerenti con quanto ci si poteva aspettare da un OBG. Il team ha rilevato emissioni di raggi X intercettando Chandra, e queste emissioni indicano la presenza di un buco nero o “accrescimento” associato al quasar, che è stato particolarmente convincente nell’identificare la galassia circostante come un OBG.
I ricercatori hanno anche confrontato le loro osservazioni con simulazioni della rapida crescita dei semi di buchi neri pesanti e hanno scoperto che c’era una buona corrispondenza tra i due. Il meglio che hanno trovato durante questo confronto è stato un seme di 10.000 masse solari che è cresciuto in diverse centinaia di milioni di anni.
“Sulla base dell’eccellente accordo tra le caratteristiche multi-lunghezza d’onda osservate di UHZ1 con le previsioni del modello dal modello teorico, proponiamo che UHZ1 sia il primo candidato OBG scoperto, soggetto a conferma spettrale del redshift”, hanno scritto gli autori in un documento che spiega la scoperta . “Pertanto, come primo candidato OBG, UHZ1 fornisce prove convincenti della formazione di proto-semi pesanti dal collasso diretto nell’universo primordiale”.
In che modo i semi pesanti danno ai buchi neri una spinta alla crescita
Le dimensioni dei buchi neri supermassicci non preoccupano troppo gli scienziati. Questo perché questi giganti cosmici hanno avuto miliardi di anni per crescere nutrendosi del gas e della polvere circostanti e fondendosi con altri buchi neri. Uno nel cuore della Via Lattea, Sagittarius A* (Sgr A*), ad esempio, ha avuto abbastanza tempo per crescere fino a circa 4,5 milioni di volte la massa del Sole. Il buco nero al centro di una galassia chiamata M87 è riuscito a riprodursi, poiché ha una massa circa 5 miliardi di volte quella della nostra stella.
Ma poiché si stima che questi meccanismi di crescita si verifichino nell’arco di miliardi di anni, rilevare simili buchi neri supermassicci che esistevano tra 500 milioni di anni e un mero miliardo di anni dopo il Big Bang è una sfida. Questi metodi di raccolta di massa non hanno avuto il tempo di produrre buchi neri così giganteschi. Tuttavia, questo è esattamente ciò che hanno scoperto gli astronomi che studiano l’universo primordiale utilizzando JWST e altri strumenti.
“È come vedere una famiglia che cammina per strada, e hanno due adolescenti di un metro e ottanta, ma hanno anche un bambino alto un metro e ottanta. È un piccolo problema; come ha fatto il bambino a diventare così alto?” John Regan, un ricercatore dell’Università di Maynooth che non è stato coinvolto in questa ricerca, dice a Space.com. “Ed è lo stesso per i buchi neri supermassicci nell’universo. Come hanno fatto a diventare enormi così velocemente?”
Bene, una teoria è che questi buchi neri abbiano avuto un vantaggio sui processi di accrescimento di massa crescendo dal “seme” di un buco nero più piccolo.
Ci sono due linee di pensiero prevalenti in questo senso. Da un lato, gli esperti suggeriscono che i buchi neri supermassicci potrebbero essere cresciuti dai semi di un buco nero leggero con una massa equivalente da 10 a 100 volte la massa del Sole. Questi semi di luce sarebbero teoricamente nati attraverso il meccanismo standard per la creazione di un buco nero di massa stellare, cioè la morte e il collasso della prima generazione di stelle nell’universo.
D’altra parte, i primi buchi neri supermassicci potrebbero essere cresciuti da enormi buchi neri con masse massicce circa 100.000 volte la massa del Sole. Questi potrebbero essersi formati direttamente dal collasso di massicce nubi di materia, saltando così del tutto la “fase stellare” di altri buchi neri. Gli astronomi si riferiscono ai buchi neri come buchi neri a collasso diretto (DCBH).
I DCBH potrebbero quindi crescere insieme alle fusioni di galassie, che erano comuni nell’universo primordiale, e che porterebbero anche rifornimenti di gas e polvere a questi vuoti. Poi, alla fine, altri buchi neri potrebbero scontrarsi e fondersi con loro.
Regan lo paragona a un bambino alto sei piedi che nasce alto tre piedi. È ancora un po’ confuso (e forse fastidioso), ma spiega meglio come il bambino sia arrivato alla taglia da adulto così rapidamente, almeno più facilmente che se il bambino avesse iniziato all’altezza media di un bambino.
Non ci si aspetta che altri semi di buchi neri più piccoli diano origine a OBG, quindi l’identificazione di UHZ1 come tale galassia supporta quindi l’esistenza di un seme di buco nero pesante e dà credito al suo ruolo nella crescita iniziale del buco nero supermassiccio.
Tuttavia, gli stessi autori sottolineano i limiti della loro ricerca e sollecitano cautela nell’estrapolare che la crescita del buco nero all’interno di UHZ1 ha raggiunto uno stato supermassiccio. Simpatizzano anche sul fatto che il potenziale di questa crescita dipenderà in gran parte dall’ambiente in cui si trova il potenziale seme, con abbondanti quantità di gas e polvere necessarie per sostenerne la crescita.
C’è ancora molta indagine da fare prima che una popolazione di buchi neri a seme pesante possa essere confermata e collegata a buchi neri supermassicci nell’universo neonato, ma queste scoperte rappresentano almeno un passo nella giusta direzione.
Mentre JWST scopre di più [distant and early] Accrescendo i buchi neri nei prossimi cicli, abbiamo in programma di analizzare queste fonti, indagare su possibili analoghi dei raggi X con Chandra e sviluppare una comprensione più profonda degli OBG e della fisica del seeding pesante”.
“Questa scoperta fornisce ulteriori prove per lo scenario del seme pesante”, ha detto Regan a Space.com. “Considerando le masse di altri buchi neri nel JWST che sono stati osservati, direi che il peso delle prove ora punta fortemente verso uno scenario di seme pesante per la crescita di buchi neri supermassicci”.
La ricerca del team è stata inviata ad Astrophysical Journal Letters ed è attualmente pubblicata nel repository Papers arXiv.
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