Come creare un buco nero dal nulla

Quanti modi ci sono per lasciare questo universo?

Forse l’uscita più conosciuta comporta la morte di una stella. Nel 1939 il fisico J. Robert Oppenheimer e il suo studente Harlan 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 per sempre, restringendo lo spazio, il tempo e la luce attorno a sé in quello che oggi chiamiamo buco nero.

Ma si scopre che una stella morta potrebbe non essere necessaria per creare 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 a cui è recentemente giunto un gruppo di astronomi che studiano UHZ-1, un granello di luce risalente a non molto tempo dopo il Big Bang. In effetti, UHZ-1 è (o era) un potente quasar che sputava 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.

Ciò è insolitamente presto, dal punto di vista cosmico, perché un buco nero così massiccio sia venuto alla luce attraverso collassi e fusioni stellari. Priyamvada Natarajan, astronoma di Yale e autrice principale di un articolo pubblicato sull’Astrophysical Journal Letters, e i suoi colleghi, sostengono di aver scoperto in UHZ-1 una nuova specie celeste, che chiamano galassia di buco nero sovramassiccio, o OBG. In sostanza, un OBG è una giovane galassia ancorata a un buco nero che è diventato troppo grande e troppo velocemente.

La scoperta di questo quasar precoce potrebbe aiutare gli astronomi a risolvere un enigma correlato che li ha tormentati per decenni. Quasi ogni galassia visibile nell’universo moderno sembra ospitare al proprio centro un buco nero supermassiccio milioni di miliardi di volte più massiccio del Sole. Da dove vengono quei mostri? È possibile che i normali buchi neri siano cresciuti così grandi e così velocemente?

La dottoressa Natarajan e i suoi colleghi propongono che UHZ-1, e così forse molti buchi neri supermassicci, abbiano avuto origine come nubi primordiali. Queste nubi potrebbero essere collassate in nuclei precocemente pesanti e sufficienti a far ripartire la crescita di galassie di buchi neri sovramassicci. Sono un altro promemoria del fatto 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 la dottoressa Natarajan e i suoi colleghi. In una e-mail, ha aggiunto: “La natura sembra produrre semi di BH in molti modi, oltre alla semplice morte stellare!”

Daniel Holz, un teorico dell’Università di Chicago che studia i buchi neri, ha detto: “Priya ha trovato un buco nero estremamente eccitante, se fosse vero”.

Ha aggiunto: “È semplicemente troppo grande e troppo presto. È come guardare in un’aula dell’asilo e tra tutti i bambini di 5 anni ce n’è uno che pesa 150 libbre e/o sei piedi di altezza.

Secondo la storia che gli astronomi si raccontano sull’evoluzione dell’universo, le prime stelle si condensarono dalle nubi di idrogeno ed elio rimaste 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 formarono dalle ceneri delle stelle precedenti, arricchendo la chimica del cosmo. E i buchi neri rimasti dalla loro morte continuavano a fondersi e a crescere in qualche modo, nei buchi neri supermassicci al centro delle galassie.

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

Ma non appena il nuovo telescopio fu puntato verso il cielo, scorse nuove galassie così massicce e luminose da sfidare le aspettative dei cosmologi. Negli ultimi due anni si è discusso se queste osservazioni effettivamente minacciassero un modello di cosmo di lunga data. Il modello descrive l’universo come composto da una traccia di materia visibile, quantità sorprendenti di “materia oscura”, che fornisce la gravità per tenere insieme le galassie, e di “energia oscura”, che spinge queste galassie a parte.

La scoperta di UHZ-1 rappresenta un punto di svolta in questi dibattiti. In preparazione per una futura osservazione da parte del telescopio spaziale James Webb di un enorme ammasso di galassie nella costellazione dello Scultore, il team del dottor Natarajan ha chiesto di poter trascorrere 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 poter intravedere nei raggi X tutto ciò che la lente avrebbe potuto mostrare.

Ciò che hanno trovato era un quasar alimentato da un buco nero supermassiccio circa 40 milioni di volte più massiccio del Sole. Ulteriori osservazioni del 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 il primo mai trovato 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 del Center for Astrophysicals Harvard & Smithsonian. “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 un tempo sufficiente per consentire ai buchi neri creati dalla prima generazione di stelle – che inizialmente avevano da 10 a 100 masse solari – di diventare così grandi.

Esisteva 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.

“Potete quindi immaginare che uno di questi si trasformi successivamente in questo buco nero giovane e precocemente grande”, ha detto il dottor Holz. Di conseguenza, ha osservato, “in ogni momento successivo nella storia dell’universo ci saranno sempre dei buchi neri sorprendentemente grandi”.

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

Ciò suggerisce che complicati effetti di feedback ambientale dominano la crescita e l’evoluzione di queste galassie e dei loro buchi neri, facendo aumentare la loro massa nelle stelle e nel gas.

“Quindi, in effetti, questi OBG estremamente precoci stanno davvero telegrafando molte più informazioni e illuminando la fisica seminatrice piuttosto che la crescita e l’evoluzione successive”, ha detto il dottor Natarajan. Ha aggiunto: “Anche se hanno implicazioni importanti.”.

Il dottor Holz ha detto: “Sarebbe sicuramente bello se risultasse quello che sta succedendo, ma sono sinceramente agnostico”. Ha aggiunto: “Sarà una storia affascinante, non importa come risolveremo il mistero dei primi grandi buchi neri”.