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Come creare un buco nero dal nulla

Quanti modi ci sono per lasciare questo universo?

Forse l’uscita più famosa è Death of a Star. Nel 1939, il fisico J. Robert Oppenheimer e il suo studente Hartland Snyder dell’Università della California, Berkeley, predissero che quando una stella sufficientemente massiccia esaurisce il combustibile termonucleare, collassa verso l’interno e continua a collassare. e la luce attorno ad esso in quello che oggi viene chiamato buco nero.

Ma si scopre che una stella morta potrebbe non essere necessaria per formare un buco nero. Invece, almeno nell’universo primordiale, gigantesche nubi di gas primordiale potrebbero essere collassate direttamente nei buchi neri, evitando milioni di anni trascorsi nella celebrità.

Questa è la provvisoria conclusione raggiunta recentemente da un gruppo di astronomi che studiano UHZ-1, un punto di luce risalente a poco dopo il Big Bang. In effetti, UHZ-1 è (o era) un potente quasar che emetteva fuoco e raggi X da un mostruoso buco nero 13,2 miliardi di anni fa, quando l’universo non aveva ancora 500 milioni di anni.

Si tratta di un tempo insolitamente breve, dal punto di vista cosmico, perché un buco nero così massiccio sia nato a seguito di collassi e fusioni stellari. Priyamvada Natarajan, astronomo di Yale e autore principale di un articolo pubblicato su Astrophysical Journal Letterse colleghi, affermano che in UHZ-1 hanno scoperto una nuova specie celeste, che chiamano galassia del buco nero sovramassiccio, o OBG. In sostanza, un OBG è una giovane galassia ancorata a un buco nero che è cresciuto troppo grande e troppo velocemente. .

La scoperta di questo primo quasar potrebbe aiutare gli astronomi a risolvere un enigma correlato che li tormenta da decenni. Quasi ogni galassia visibile nell’universo moderno sembra ospitare al proprio centro un buco nero supermassiccio milioni o miliardi di volte più massiccio del Sole. Da dove vengono questi mostri? È possibile che i normali buchi neri siano cresciuti così rapidamente?

Il dottor Natarajan e i suoi colleghi propongono che UHZ-1, e quindi forse molti buchi neri supermassicci, abbiano avuto inizio come nubi primordiali. Queste nubi potrebbero essere collassate nei primi nuclei pesanti, sufficienti a riavviare la crescita delle galassie di buchi neri supermassicci. Ci ricordano anche che l’universo che vediamo è governato dalla geometria invisibile dell’oscurità.

“Essendo il primo candidato OBG, UHZ-1 fornisce prove convincenti della formazione di pesanti semi iniziali dal collasso diretto nell’universo primordiale”, hanno scritto il dottor Natarajan e colleghi. In una e-mail, ha aggiunto: “La natura sembra produrre semi di BH in diversi modi, oltre la semplice morte stellare! »

Daniel Holz, un teorico dell’Università di Chicago che studia i buchi neri, ha detto: “Priya ha scoperto un buco nero estremamente emozionante, se è vero. »

Ha aggiunto: “È semplicemente troppo grande, troppo presto. È come guardare in una classe dell’asilo e tra tutti i bambini di 5 anni, ce n’è uno che pesa 150 libbre e/o è alto un metro e ottanta.

La storia che gli astronomi si raccontano sull’evoluzione dell’universo è che le prime stelle si sono condensate dalle nubi di idrogeno ed elio lasciate dal Big Bang. Bruciarono caldi e veloci, esplodendo rapidamente e collassando in buchi neri da 10 a 100 volte più massicci del sole.

Nel corso degli eoni, generazioni successive di stelle si sono formate dalle ceneri di stelle precedenti, arricchendo la chimica del cosmo. E i buchi neri lasciati dalla loro morte continuarono a fondersi e a crescere in un modo o nell’altro, diventando i buchi neri supermassicci al centro delle galassie.

Il telescopio spaziale James Webb, lanciato due anni fa a Natale, è stato progettato per testare questa idea. Ha lo specchio più grande dello spazio, misura 21 piedi di diametro. Ancora più importante, è stato progettato per registrare le lunghezze d’onda della luce infrarossa provenienti dalle stelle più distanti e quindi più antiche dell’universo.

Ma non appena il nuovo telescopio fu puntato verso il cielo, vide nuove galassie così massicce e luminose da sfidare le aspettative dei cosmologi. Negli ultimi anni hanno infuriato i dibattiti sulla questione se queste osservazioni effettivamente minaccino un antico modello del cosmo. Il modello descrive l’universo come composto da tracce di materia visibile, quantità sorprendenti di “materia oscura”, che fornisce la gravità necessaria per tenere insieme le galassie, e di “energia oscura”, che separa queste galassie.

La scoperta di UHZ-1 rappresenta un punto di svolta in questi dibattiti. In preparazione per una futura osservazione con il telescopio spaziale James Webb di un massiccio ammasso di galassie nella costellazione dello Scultore, il team del dottor Natarajan ha richiesto del tempo sull’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA. La massa dell’ammasso agisce come una lente gravitazionale, ingrandendo gli oggetti molto lontani nello spazio e nel tempo. I ricercatori speravano di ottenere una visione ai raggi X di qualunque cosa la lente potesse rivelare.

Ciò che hanno scoperto è stato un quasar alimentato da un buco nero supermassiccio circa 40 milioni di volte più massiccio del Sole. Ulteriori osservazioni effettuate dal telescopio Webb hanno confermato che si trovava a 13,2 miliardi di anni luce di distanza. (L’ammasso dello Scultore si trova a circa 3,5 miliardi di anni luce di distanza.) Era il quasar più distante e più antico mai scoperto nell’universo.

“Avevamo bisogno di Webb per trovare questa galassia straordinariamente distante e di Chandra per trovare il suo buco nero supermassiccio”, ha detto in un comunicato stampa Akos Bogdan dell’Harvard & Smithsonian Center for Astrophysicals. “Abbiamo anche approfittato di una lente d’ingrandimento cosmica che ha aumentato la quantità di luce rilevata”.

I risultati indicano che i buchi neri supermassicci esistevano già 470 milioni di anni dopo il Big Bang. Non è abbastanza tempo per permettere ai buchi neri creati dalla prima generazione di stelle – che iniziano tra 10 e 100 masse solari – di diventare così grandi.

Esiste un altro modo per creare buchi neri ancora più grandi? Nel 2017, il dottor Natarajan ha suggerito che il collasso delle nubi di gas primordiale avrebbe potuto dare origine a buchi neri più di 10.000 volte più massicci del Sole.

“Si può quindi immaginare che uno di loro si trasformi in questo buco nero giovane e precocemente grande”, ha detto il dottor Holz. Di conseguenza, ha osservato, “in ogni epoca successiva della storia dell’universo, ci saranno sempre buchi neri sorprendentemente grandi”.

Il dottor Natarajan ha affermato: “Il fatto che questi inizino la vita come supermassicci implica che probabilmente alla fine si evolveranno in buchi neri supermassicci. » Ma nessuno sa come funziona. I buchi neri rappresentano il 10% della massa del primo quasar UHZ-1, mentre rappresentano meno di un millesimo di punto percentuale della massa delle galassie moderne come la gigantesca Messier 87, il cui buco nero pesava il 6,5%. miliardi di masse solari quando la sua foto è stata scattata dal telescopio Event Horizon nel 2019.

Ciò suggerisce che complessi effetti di feedback ambientale dominano la crescita e l’evoluzione di queste galassie e dei loro buchi neri, provocando l’aumento delle loro masse nelle stelle e nel gas.

“Quindi, in effetti, questi OBG estremamente precoci trasmettono effettivamente molte più informazioni e fanno luce sulla fisica della semina piuttosto che sulla crescita e sull’evoluzione successive”, ha detto il dottor Natarajan. Ha aggiunto: “Anche se hanno implicazioni significative. »

Il Dr. Holz ha detto: “Sarebbe certamente bello se questo fosse ciò che sta accadendo, ma sono veramente agnostico. » Ha aggiunto: “Questa sarà una storia affascinante, indipendentemente da come risolveremo il mistero dei primi grandi buchi neri. »