NELL’UNIVERSO PRIMORDIALE

Il Rinascimento dei buchi neri

Uno studio pubblicato su Nature, basato sulla Renaissance Simulation, presenta una nuova teoria sulla nascita dei primi buchi neri massicci, secondo cui condizioni particolari di aggregazione di materia oscura avrebbero favorito la formazione di buchi neri a scapito della formazione stellare

Una regione d’universo grande 30mila anni luce generata dalla Renaissance Simulation, centrata su un gruppo di giovani galassie che generano radiazioni (bianco) e metalli (verde) mentre riscaldano il gas circostante. Un alone di materia oscura appena al di fuori di questa regione riscaldata dà origine a tre stelle supermassicce (riquadro), ciascuna di oltre 1000 volte la massa del nostro Sole, che collasseranno rapidamente in buchi neri massicci, i quali a loro volta diventeranno supermassicci nel corso di miliardi di anni. Crediti: Advanced Visualization Lab, National Center for Supercomputing Applications

Come si sono formati i primi buchi neri supermassicci, che esistevano già 13 miliardi di anni fa all’interno delle galassie primordiali? Una ricerca principalmente statunitense, appena pubblicata su Nature, sembra avere trovato ora una nuova via per arrivare a risolvere questo mistero cosmico, dimostrando anche come i buchi neri supermassicci siano molto più comuni nell’universo rispetto a quanto ritenuto finora.

Il gruppo di ricerca, guidato da John Wise del Georgia Institute of Technology, ha dimostrato nel nuovo studio che il raggrupparsi in modo estremamente rapido – e a volte violento – di galassie può portare alla formazione di buchi neri con grande massa.

Nelle galassie risultanti da questa repentina fusione accade un fenomeno imprevisto: in alcune zone in rapida crescita dense di materia oscura la normale formazione stellare s’interrompe, mentre prende corpo quella del buco nero.

Questa evidenza, spiegano gli autori del nuovo studio, manda a gambe all’aria la teoria finora maggiormente accreditata, secondo cui la formazione dei buchi neri sarebbe stata limitata alle regioni bombardate dalla potente radiazione ultravioletta proveniente da galassie vicine.

«In questo studio abbiamo scoperto un meccanismo totalmente nuovo che innesca la formazione di buchi neri massicci in particolari aloni di materia oscura», spiega Wise. «Invece di considerare solo la radiazione UV, dobbiamo guardare con quanta rapidità crescono gli aloni. Non abbiamo bisogno di fisica complessa per capirlo, solo come viene distribuita la materia oscura e in che modo la gravità lo influenzerà. Formare un enorme buco nero richiede di trovarsi in una regione peculiare, con un’intensa convergenza di materia».

Particolare della zona più interna di 30 anni luce dell’alone di materia oscura. Il disco gassoso rotante si divide in tre gruppi che collassano sotto la loro stessa gravità per formare stelle supermassicce. Crediti: John Wise, Georgia Institute of Technology

I criteri chiave per determinare dove si siano formati buchi neri massicci durante le prime fasi di sviluppo dell’universo dopo il Big Bang sarebbero dunque da rintracciare nella rapida crescita di nubi pre-galattiche di gas, precursori di tutte le galassie odierne.

La ricerca è stata basata sui risultati della Renaissance Simulation, una simulazione della formazione di galassie nell’universo giovane che ha prodotto 70 terabyte di dati, condotta tra il 2011 e il 2014 con l’ausilio del supercomputer Blue Waters.

Gli autori del nuovo studio hanno esaminato i dati della simulazione, individuando dieci specifici aloni di materia oscura che, in base alla loro massa, avrebbero dovuto formare stelle, ma invece contenevano solo una densa nube di gas.

Usando il supercomputer Stampede2, i ricercatori hanno poi simulato nuovamente due di quegli aloni – ognuno largo circa 2400 anni luce – con una risoluzione molto più alta, per comprendere i dettagli di ciò che stava accadendo in essi 270 milioni di anni dopo il Big Bang.

Il supercomputer Stampede2. Crediti: Università del Texas

La migliore risoluzione della simulazione fatta per le due regioni individuate ha permesso agli scienziati di vedere la turbolenza e l’afflusso di gas, nonché i grumi di materia che si formavano quando i precursori del buco nero cominciavano a condensare e ruotare, mentre il loro tasso di crescita era sorprendentemente alto.

«È stato solo in queste regioni sovra-dense dell’universo che abbiamo visto formarsi buchi neri», conclude Wise.

Per saperne di più:

Guarda il video “First Light In Renaissance Simulations” del Ncsa Advanced Visualization Lab: