“Collasso diretto”, così da stelle mancate son nati i buchi neri

Cos’è il buco nero supermassiccio? Dovendolo spiegare in maniera davvero molto elementare, si tratta del più grande tipo di buco nero, la cui massa è svariati milioni se non miliardi di volte superiore a quella del Sole. Molto probabilmente quasi tutte le galassie, inclusa la nostra Via Lattea, contengono un buco nero supermassiccio al proprio centro.

Quelli nati agli albori dell’universo, tuttavia, non hanno un’origine stellare come spiega Marco Dian nel notiziario online dell’INAF: i più antichi infatti si sono formati per via del “collasso diretto” di gas primordiale ed un recente studio in merito a cura dei ricercatori Shantanu Basu e Arpan Das della University Of Western Ontario, pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, svela nuove interessanti questioni legate a questo meccanismo.

Dalle origini ai tempi moderni, come si forma un supermassivo

Se è vero che un buco nero ha origine dal collasso di una stella non è altrettanto vero che tutti i buchi neri supermassicci abbiano avuto origine in questo modo: sono stati osservati buchi neri risalenti fino a 690 milioni di anni dopo il big bang, epoca in cui le stelle presenti non ebbero tempo sufficiente per collassare in un buco nero.

Qui entro in gioco il meccanismo del collasso diretto il cui modello prevede che i buchi neri supermassicci si siano formati molto velocemente in un brevissimo lasso di tempo per poi subito una brusca interruzione: la ricerca a cura dei ricercatori Shantanu Basu e Arpan Das definisce sostanzialmente un nuovo modello matematico per spiegare le dinamiche di questa crescita esponenziale interrotta bruscamente.

Molto tempo fa…

Si stima che la crescita dei buchi neri mediante collasso diretto, sia iniziata 400 milioni di anni dopo il big bang e sia proseguita per altri 150 milioni di anni: un lasso di tempo durante il quale la crescita del buco nero avviene esponenzialmente in regime di limite di super-Eddington. Un limite, quello di Eddington, che definisce il massimo valore di luminosità che un oggetto può raggiungere “quando la pressione verso l’esterno, causata dalla radiazione emessa, controbilancia la forza gravitazionale che tende a farlo collassare” – spiega Dian su INAF.

Tuttavia è possibile, nei casi più estremi come i buchi neri supermassicci, che questo limite venga superato. Per questo motivo si parla di regime di super-Eddington, una condizione che vede questo tipo di oggetti condannati al collasso collasso gravitazionale. L’accrescimento del buco nero però, in regime di super-Eddington, si arresta bruscamente e questo accade quando nella nube che ospita il buco nero, la radiazione emessa dalla materia in accrescimento ionizza le molecole della nube disperdendo il gas: fase questa, detta fotoevaporazione, descritta dal modello di Basu e Das.

“I buchi neri supermassicci hanno avuto solo un breve periodo di tempo in cui sono stati in grado di crescere velocemente e poi, a un certo punto, a causa di tutte le radiazioni nell’universo create da altri buchi neri e stelle, la loro produzione si fermò. Questa è l’evidenza osservativa indiretta che i buchi neri si originano tramite collasso diretto piuttosto che da resti stellari”

– spiega Shantanu Basu, professore di astronomia alla Western University e primo autore dell’articolo.

Questa ricerca è importante perché le leggi che governano il collasso diretto sono in accordo con le osservazioni e con i modelli numerici sviluppati fino ad oggi: modelli che si basano su interpolazioni di dati, per ricostruire a posteriori la legge che meglio descrive la distribuzione della massa dei buchi neri supermassicci da collasso diretto.

I risultati ottenuti da Basu e Das potranno essere utilizzati per future osservazioni, come quelle che verranno effettuate dal James Webb Telescope, per approfondire la nostra conoscenza circa la storia e l’origine di questi giganteschi buchi neri, nati quando il nostro universo era ancora giovanissimo.

Per approfondire:

[1] “The Mass Function of Supermassive Black Holes in the Direct-collapse Scenario” – Shantanu Basu and Arpan Das, University Of Western Ontario – The Astrophysical Journal Letters

[2] “Quei buchi neri che mai furono stelle” – Marco Dian – INAF

Foto: Rappresentazione artistica di un buco nero, crediti: M. Moscibrodzka, T. Bronzwaar e H. Falcke, Radboud University