Simulazioni al computer suggeriscono che i buchi neri supermassicci possano essersi formati nell'universo primordiale grazie all'interazione tra flussi di gas ad alta velocità che spazzavano il cosmo e la forza gravitazionale esercitata dalla materia oscura. Ma non tutti sono d'accordodi Yasemin Saplakoglu/Scientific American

I buchi neri supermassicci si trovano al centro delle galassie. (Cortesia NASA/JPL-Caltech)

Simulazione di un buco nero al centro di una galassia.(Credit: NASA/ESA/ D. Coe, J. Anderson, R. van der Marel (STScI))

I dischi di accrescimento dei buchi neri possono emettere una quantità di radiazione tale da allontanare la materia che potrebbe alimentarli. (Credit: NASA, and M. Weiss (Chandra X -ray Center))

I buchi neri supermassicci – oggetti con una massa da centinaia di milioni a miliardi di volte quella di una stella – sono uno dei più profondi misteri dell'astrofisica moderna. Abitano nel cuore delle grandi galassie, tra cui la nostra Via Lattea. Data la loro presenza diffusa, questi buchi neri possono avere una parte vitale nella formazione e nell'evoluzione dell'universo. Ma come abbiano fatto a crescere così massicci è un quesito che da lungo tempo lascia perplessi i teorici di tutto il mondo.L'ipotesi più ragionevole – che queste mostruosità siano potute crescere così tanto inglobando enormi quantità di gas per miliardi di anni – è ormai noto che è sbagliata. Recenti osservazioni hanno rivelato l'esistenza di buchi neri miliardi di volte più massicci del Sole risalenti ad appena 800 milioni di anni dopo il big bang. E così, l'enigma continua: come sono cresciuti così in fretta? La maggior parte degli astrofisici concorda che i buchi neri supermassicci dovrebbero provenire da piccoli "semi" di buchi neri. Ma non sono d'accordo su quanto modesti debbano essere stati quei semi.Una scuola di pensiero ritiene che i "semi" dei buchi neri dovevano avere una massa da migliaia a diverse decine di migliaia di volte quella del Sole; l'altra ritiene che i semi potessero essere piccoli, non più di 100 masse solari.Entrambi i campi devono affrontare il fatto che i buchi neri sono divoratori disorganizzati: la gravità può ammassare nelle loro fauci solo una certa quantità gas prima che il materiale cominci ad accumularsi attorno a essi, formando dischi bianchi che emettono intense radiazioni capaci di allontanare il gas in entrata, tagliando così l'alimentazione. Questo si chiama "limite di Eddington" e si pensa che condizionifortemente la velocità con cui un buco nero può inglobare materia e crescere. Il vantaggio dei modelli che usano semi piccoli è che questi buchi neri "pesi medi" si formano con relativa facilità; lo svantaggio è che per crescere rapidamente e diventare buchi neri supermassici, devono considerare il limite di Eddington solo un "suggerimento", e contare su diverse potenziali eccezioni per eluderne i vincoli. I modelli con semi grandi, invece, rispettano il limite attribuendo ai buchi neri supermassicci in crescita una grande dimensione fin dall'inizio: ciò permette di divorare più gas prima di sbattere contro il limite di Eddington; ma i loro semi più grandi sono anche più difficili da generare. Le gigantesche nubi di gas che potrebbero collassare per formare grandi semi possono anche frammentarsi in piccole aggregazioni, formando ammassi di stelle invece di grandi buchi neri.Che si tratti di semi grandi o piccoli, "molte teorie hanno cercato di spiegare l'esistenza o la formazione dei buchi neri supermassicci, ma nessuna riesce a dare una soluzione naturale al problema", dice Naoki Yoshida, astrofisico all'Università di Tokyo. Yoshida è un sostenitore dei semi di grandi dimensioni e coautore di uno studio pubblicato da poco su "Science" che suggerisce come potrebbero essersi formati per poi dare origine alla sorprendente popolazione di buchi neri supermassicci dell'universo iniziale. La sua "soluzione naturale" chiama in causa i flussi di gas ad alta velocità che spazzavano l'universo dopo il big bang, agendo da catalizzatore critico. In particolare, si basa sulla presunta interazione tra quel gas sfrecciante e la materia oscura, la misteriosa sostanza invisibile che sembra agire da colla gravitazionale per le galassie.Insieme ai suoi collaboratori all'Università del Texas ad Austin e all'Università di Tübingen, in Germania, Yoshida ha usato simulazioni al computer per ricreare le condizioni nell'universo primordiale immettendo nel programma diversi parametri cosmologici, come la densità della materia oscura, che gli astronomi hanno calcolato dalle misurazioni sulla composizione dell'universo primordiale. "Abbiamo cercato di riprodurre questo stato iniziale il più possibile vicino a quanto suggerito dalle osservazioni reali – dice Yoshida – e lasciato che l'universo si evolvesse nel tempo."Secondo le simulazioni del gruppo, in alcune parti dell'universo la gravità della materia oscura avrebbe intrappolato velocissimi flussi di idrogeno ed elio primordiali generati dal big bang. Di recente, i ricercatori hanno anche scoperto che in alcune aree questi gas avrebbero ulteriormente accelerato a velocità incredibili, diventando – per dirla con Yoshida – "venti veramente veloci". "È facile immaginare quanto sia arduo intrappolare un gas che si muove molto velocemente", dice Yoshida; immaginate di mettere una mano contro il getto da una manichetta antincendio: il braccio verrebbe spinto via dalla sua forza. "L'unico modo per fermare questo forte vento è creare una gravità abbastanza forte", dice. I ricercatori calcolano che in ogni tratto dei tre miliardi di anni luce dell'universo primordiale c'era una quantità di materia oscura abbastanza grande e dotata di gravità sufficiente a risucchiare e intrappolare questo vento, come se noi avessimo una forza sufficiente per spingere il getto d'acqua nella direzione opposta. Questa attrazione tra gas e materia oscura avrebbe creato una grande nube di gas, impedendo che strada facendo si formassero piccole stelle.Questa nuvola di gas simulata è poi collassata in una stella massiccia che ha continuato a ingurgitare sempre più gas fino a raggiungere 34.000 masse solari. Questa ipotetica stella massiccia avrebbe potuto raggiungere dimensioni simili solo se composta di idrogeno e di elio, i due gas elementari presenti nell'universo primordiale prima che le stelle, con esplosioni di supernova, creassero elementi più pesanti come carbonio, azoto e ossigeno. L'idea di una stella massiccia era già stata proposta, ma questa è la prima volta che un gruppo l'ha simulata. "La nostra simulazione al computer ha mostrato che questo tipo di fenomeni è realmente avvenuto e che questo genere di stelle mostruose può essersi formato", dice Yoshida. Raggiunta questa massa gigantesca, la stella è collassata generando il seme di un buco nero supermassiccio. "Non cercavamo a ogni costo una soluzione elegante; è apparsa come un risultato naturale", dice. "È il motivo per cui ritengo che questa sia veramente la soluzione finale, almeno alla questione dell'origine dei buchi neri supermassicci." Tuttavia, non tutti sono d'accordo.Altri scienziati a favore dell'ipotesi dei "semi" grandi hanno idee diverse su come abbiano iniziato a formarsi. Un recente studio pubblicato su "Nature Astronomy", per esempio, propone che questi semi non si siano formati in seguito a confusi movimenti della materia oscura, ma grazie al comportamento delle stelle ordinarie nelle galassie. In questo scenario, potenti emissioni di luce ultravioletta dovute all'intensa formazione di stelle in una galassia giovane potrebbero aver impedito che in una vicina nube gigante di gas si formassero le stelle, permettendo a quella nube di vivere abbastanza a lungo da collassare direttamente in un buco nero con una massa di 100.000 volte quella del nostro Sole.John Wise, astrofisico all'Institute of Technology della Georgia e coautore dello studio su "Nature Astronomy" , pensa che il lavoro pubblicato su "Science" sia un importante passo avanti nel campo perché Yoshida e colleghi sono stati i primi a simulare gli effetti dei primi moti dei gas sulla formazione di buchi neri supermassicci. Ma dice che questo non esclude la sua teoria. "Penso che ci siano molteplici percorsi per la formazione dei buchi neri supermassicci", dice. "Questa è solo un'altra via, e credo sia del tutto possibile". Tuttavia nota che è raro trovare simili gas in rapida evoluzione nell'universo primordiale. "Queste velocità fluttuano a seconda di dove ci si trova nell'universo, quindi c'è una probabilità piuttosto bassa che questo accada." Le probabilità che un vento così rapido spazzi una parte dell'universo dei primordi sono pari allo 0,3 per cento, secondo Yoshida. Per contro, Yoshida e colleghi notano che le nuvole giganti di gas adiacenti a giovani galassie che producono stelle sembrano rare. "La probabilità netta di questo evento è incerta", dice Yoshida.Greg Bryan, astrofisico alla Columbia University e autore senior dell'articolo su "Nature Astronomy", elogia i nuovi risultati. "Non è una risposta definitiva, ma è di gran lunga la prospettiva migliore per guardare a questo particolare modo di formazione dei buchi neri", dice. Tuttavia è un po' preoccupato di quanto le sue simulazioni fossero vicine a formare una serie di stelle piccole. Per formare un buco nero, una parte dei gas primordiali deve riunirsi in una regione molto piccola, e questo non può avvenire se i gas si disperdono per formare un gruppo di stelle. Se nella simulazione le condizioni cambiassero anche di poco, dice, non si formerebbe il seme massiccio. "D'altra parte, nella misura in cui mi fido di un qualsiasi modello, mi fido dei loro", aggiunge Bryan.Fulvio Melia, astrofisico all'Università dell'Arizona, non è così affascinato dalla teoria. "Ci sono molti fattori fisici sconosciuti su cui gli autori devono fare affidamento, proprio come per tutte le altre proposte sulla formazione di semi massicci o di altri oggetti che crescano a un tasso molto elevato", dice. "Devono fare ipotesi specifiche su come si comporta la materia oscura, ma non sappiamo neanche che cos'è."Per rispondere in modo definitivo alle domande su queste bestie massicce, gli scienziati puntano sulla futura possibilità di osservare i "semi" nell'universo primordiale grazie ai telescopi avanzati di nuova generazione. Una possibilità che potrebbe non essere così lontana. Ci sono diverse iniziative, come la missione ATHENA proposta dall'Agenzia spaziale europea che dovrebbe partire nel 2028, e che punta a rilevare le emissioni nei raggi X di questi giganti supermassicci. Anche il prossimo telescopio spaziale James Webb della NASA, il cui lancio è previsto per il 2019, potrebbe fornire approfondimenti con i suoi studi sulle prime stelle e galassie dell'universo."La cosa eccitante è che c'è un modo di sperimentare queste idee nei prossimi anni effettuando una ricerca approfondita di questi oggetti in tutto il cielo", dice Melia. Quanto al motivo per cui ci sono tante discussioni, aggiunge: "Le proposte sono qualcosa di diverso rispetto a quello che sappiamo sulla parte dell'universo più vicina a noi".(L'originale di questo articolo è stato pubblicato su Scientific American il 29 settembre 2017 . Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)