Gli astronomi potrebbero aver scoperto la prima prova della presenza di “semi” di buchi neri pesanti che avrebbero influenzato la crescita dei buchi neri supermassicci nell’universo primordiale. Questi cosiddetti “semi” potrebbero aiutare a spiegare come alcuni buchi neri con masse equivalenti a milioni, o addirittura miliardi, di volte quella del Sole possano essere cresciuti abbastanza rapidamente da esistere meno di 1 miliardo di anni dopo il Big Bang.

Cosa sono i “semi” dei buchi neri

Potenzialmente, i semi dei buchi neri pesanti sono buchi neri con masse pari a circa 40 milioni di volte quella del nostro Sole. Si ritiene che si formino dal collasso diretto di una massiccia nube di gas, a differenza del tipico buco nero che nasce quando una stella massiccia raggiunge la fine della sua vita e collassa sotto la sua stessa gravità. Le galassie che si ipotizza ospitino questi pesanti semi di buco nero sono chiamate galassie con buchi neri fuori misura (Obese Black-Holes Galaxies, OBG).

Queste galassie sono probabilmente molto distanti, viste con il nostro telescopio come lo erano quando il nostro universo, che ha 13,8 miliardi di anni, aveva circa 400 milioni di anni. Ora gli scienziati potrebbero aver finalmente identificato una di queste OBG.

Il team, guidato dal ricercatore del Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian, Akos Bogdán, ha individuato per la prima volta un oggetto con una massa caratteristica dei buchi neri mentre indagava su un quasar utilizzando il James Webb Space Telescope (JWST) e il Chandra X-ray Observatory della NASA. Alimentati da buchi neri supermassicci, i quasar sono cuori attivi estremamente luminosi delle galassie. Possono essere così luminosi, infatti, da superare la luce combinata di ogni singola stella della galassia che li ospita.

La galassia UHZ1

Quella studiata da Bogdán e dai suoi colleghi vive in una galassia chiamata UHZ1. E, come si è visto, i dati del JWST e di Chandra relativi a UHZ1 sono coerenti con quanto ci si aspetterebbe da un OBG. E il team ha trovato delle emissioni di raggi X collegandosi a Chandra. Queste emissioni indicano un buco nero in alimentazione associato al quasar, il che è stato particolarmente convincente per identificare la galassia circostante come un OBG.

I ricercatori hanno confrontato le loro osservazioni con le simulazioni della crescita di semi di buchi neri pesanti, trovando una buona corrispondenza tra le due. Il miglior risultato è stato ottenuto con un seme di 10.000 masse solari che cresce nell’arco di diverse centinaia di milioni di anni.

Gli astronomi affermano che sulla base dell’eccellente accordo tra le proprietà osservate a più lunghezze d’onda di UHZ1 e le previsioni teoriche dei modelli, UHZ1 sembra essere il primo candidato OBG rilevato. Pertanto, come primo candidato OBG, UHZ1 fornisce una prova convincente della formazione di semi iniziali pesanti dal collasso diretto nell’universo primordiale.

I semi pesanti e come spingono alla crescita dei buchi neri

Le enormi dimensioni dei buchi neri supermassicci non preoccupano troppo gli scienziati. Questo perché questi titani cosmici hanno avuto miliardi di anni per crescere nutrendosi di gas e polveri circostanti e fondendosi con altri buchi neri. Ad esempio, quello che si trova nel cuore della Via Lattea, Sagittarius A* (Sgr A*) ha avuto abbastanza tempo per crescere fino a raggiungere circa 4,5 milioni di volte la massa del Sole.

Ma poiché si stima che questi meccanismi di crescita avvengano nell’arco di miliardi di anni, la scoperta di buchi neri altrettanto supermassicci esistiti tra soli 500 milioni di anni e un solo miliardo di anni dopo il Big Bang rappresenta una sfida. Questi metodi di raccolta della massa non avrebbero avuto il tempo necessario per dare origine a buchi neri così giganteschi. Eppure, questo è esattamente ciò che gli astronomi che studiano l’universo primordiale con il JWST e altri strumenti hanno scoperto.

Una teoria è che questi buchi neri abbiano avuto un vantaggio durante la loro crescita di massa sfruttando “semi” di buchi neri più piccoli. Ci sono due linee di pensiero predominanti a questo proposito. Da un lato, gli esperti suggeriscono che i buchi neri supermassicci potrebbero essere cresciuti da semi di buchi neri leggeri con masse da 10 a 100 volte quelle del Sole. Questi semi leggeri sarebbero teoricamente nati attraverso il meccanismo standard di creazione dei buchi neri di massa stellare, ovvero la morte e il collasso della prima generazione di stelle dell’universo. 

D’altra parte, i primi buchi neri supermassicci potrebbero essere nati da buchi neri pesanti con masse enormi, circa 100.000 volte la massa del Sole. Questi si sarebbero formati direttamente dal collasso di massicce nubi di materia, saltando così completamente la “fase stellare” di altri buchi neri. Gli astronomi chiamano questi buchi neri “buchi neri a collasso diretto”.

Questi particolari buchi neri crescerebbero insieme alle fusioni galattiche, comuni nell’universo primordiale, e porterebbero anche rifornimenti di gas e polvere per questi vuoti. Poi, alla fine, altri buchi neri potrebbero essersi scontrati e fusi con questi.

L’identificazione di UHZ1

Non ci si aspetta che altri semi di buchi neri più piccoli diano origine a OBG. Quindi, l’esistenza di UHZ1 supporta l’esistenza di semi di buchi neri pesanti e conferisce credibilità al loro ruolo nella crescita dei buchi neri supermassicci.

Gli stessi ricercatori sottolineano tuttavia i limiti della loro ricerca e invitano alla cautela nell’estrapolare che la crescita del buco nero all’interno di UHZ1 abbia raggiunto lo status di supermassiccio. Gli astronomi sottolineano inoltre che una tale crescita dipenderebbe fortemente dall’ambiente in cui si trova il potenziale seme. Abbondanti quantità di gas e polvere sono necessarie per sostenere la sua crescita.

Prima di poter confermare l’esistenza di una popolazione di buchi neri pesanti e di stabilire il loro legame con i buchi neri supermassicci dell’universo primordiale, è necessario condurre ancora molte indagini, ma queste scoperte rappresentano almeno un passo nella giusta direzione.