Buchi neri primordiali “a collasso diretto”

Gli astronomi Aaron Smith e Volker Bromm della University of Texas di Austin, in collaborazione con Avi Loeb dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, hanno scoperto prove di un insolito tipo di buco nero nato molto presto nell’Universo. Hanno dimostrato che una sorgente insolita di intensa radiazione recentemente scoperta è probabilmente alimentata da un “buco nero a collasso diretto”, un tipo di oggetto previsto dai teorici più di un decennio fa. Lo studio è stato pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Bromm, riferendosi alla precisa serie di condizioni presenti agli albori dell’Universo che hanno permesso a questi colossi di emergere, ha affermato: “È l’unico periodo nella storia dell’Universo in cui le condizioni sono state favorevoli” per la loro formazione.

Questi buchi neri formati da collasso diretto possono essere la soluzione di un mistero di lunga data per l’astronomia: come hanno fatto i buchi neri supermassicci a formarsi nelle prime epoche dell’Universo? C’è una forte evidenza della loro esistenza, in quanto sono necessari per alimentare i quasar estremamente luminosi rilevati nel giovane Universo. Tuttavia, ci sono diversi problemi che dovrebbero impedire la loro formazione e il processo di crescita convenzionale è troppo lento.

Gli astronomi pensano di sapere come i buchi neri supermassicci con una massa di milioni di soli crescano nel cuore della maggior parte delle galassie nell’epoca recente. Iniziano da un “seme” di buco nero, creato dal collasso di una stella estremamente massiccia. Questo buco nero ha una massa di circa un centinaio di soli, attira gas dal suo ambiente, diventando molto più massiccio, e, infine, può fondersi con altri buchi neri. L’intero processo è chiamato accrescimento.

La teoria dell’accrescimento non spiega i buchi neri supermassicci estremamente lontani, come i quasar, e quindi giovani. La luminosità eccezionale di un quasar, osservabile nonostante distanze di miliardi di anni luce, deriva dal moto della materia in un buco nero supermassiccio, che si riscalda a milioni di gradi, creando getti.

Le galassie primordiali contenevano la prima generazione di stelle, e anche se queste stelle possono essere collassate in buchi neri, non avrebbero potuto produrre l’intensa emissione dei quasar: non ci sarebbe stato abbastanza gas attorno al buco nero da servire come nutrimento in quanto sarebbe stato spazzato via dai venti delle calde stelle di recente formazione.

Nel 2003, Bromm e Loeb esposero un’idea teorica su come una galassia primordiale potesse formare un buco nero supermassiccio. Gli astronomi hanno soprannominato questo processo “collasso diretto”. Inizia con una “nube primordiale di idrogeno ed elio, diffusa in un mare di radiazione ultravioletta”, ha detto Bromm. “Questa nube si comprime nel campo gravitazionale di un alone di materia oscura. Normalmente, la nube sarebbe in grado di raffreddarsi e frammentarsi per formare stelle. Tuttavia, la radiazione ultravioletta mantiene il gas caldo, sopprimendo così qualsiasi formazione stellare. Si tratta di condizioni quasi miracolose: collasso senza frammentazione. Mentre il gas diventa sempre più compatto, alla fine si hanno le condizioni per un buco nero massiccio”.

Questo insieme di condizioni cosmiche è collegato ad un periodo di tempo nella storia dell’Universo: questo processo non avviene nelle galassie recenti.

Secondo Loeb, “I quasar osservati nell’Universo primordiale assomigliano a bambini giganti in una sala parto piena di neonati normali. Resta a chiedersi: che cosa c’è di speciale nell’ambiente che nutre questi bambini giganti? Tipicamente la riserva di gas freddo nelle galassie vicine, ma come? La Via Lattea consuma il gas per lo più attraverso formazione stellare.

“La teoria che abbiamo proposto prevede che le condizioni nella prima generazione di galassie fossero diverse”, ha detto. “Invece di formare molte stelle normali, queste galassie formano una singola stella supermassiccia al loro centro che finisce per collassare in buco nero. In seguito il gas in questi ambienti viene utilizzato per alimentare questo buco nero piuttosto che per formare molte stelle normali”.

Bromm e Loeb hanno pubblicato la loro teoria nel 2003. “Ma è stata tutta teoria allora”, ha detto Bromm.

Smith, Bromm, e Loeb erano interessati ad una galassia chiamata CR7, identificata dal telescopio spaziale Hubble e risalente a 1 miliardo di anni dopo il Big Bang. Osservazioni successive della galassia con alcuni dei più grandi telescopi terrestri, tra cui Keck e VLT hanno permesso di scoprire alcune caratteristiche estremamente insolite: in particolare una riga nello spettro dell’idrogeno, nota come “Lyman-alpha”, è stata più luminosa del previsto. Sorprendentemente, lo spettro ha anche mostrato una linea di elio insolitamente brillante.

Queste ed altre caratteristiche inusuali nello spettro, come ad esempio l’assenza di linee di elementi più pesanti dell’elio, o metalli, insieme con la distanza della sorgente ha fatto sì che si pensasse a un ammasso di stelle primordiali o un buco nero supermassiccio probabilmente formato da collasso diretto.

Secondo lo studio lo scenario di ammasso stellare “è fallito”, ha detto Smith, mentre il modello del buco nero a collasso diretto ha fornito buoni risultati.

[ Barbara Bubbi ]

https://www.cfa.harvard.edu/news/2016-15

Credit Aaron Smith/TACC/UT-Austin