Spazio

Il mistero del buco nero anomalo "in overweight"

Gli astronomi stanno studiando un misterioso buco nero dalla massa anomala: pesa troppo per quando si è formato.

C'è un enigma su cui gli astronomi si stanno arrovellando: non riescono a spiegarsi le dimensioni di un buco nero osservato nell'alba cosmica del nostro Universo. Si tratta di un buco nero troppo grande per valutare le sue dimensioni basandosi sulle attuali teorie. Situato al centro di una galassia chiamata J1120+0641, la sua massa supera un miliardo di volte quella solare. Va detto che buchi neri come questo, se non addirittura più massicci, esistono in varie parti dell'Universo e dunque l'anomalia di J1120+0641 che lascia attoniti gli astronomi, non consiste tanto nella sua massa, ma nel quando l'ha raggiunta.

Questione di tempo. Le osservazioni dicono che raggiunse queste dimensioni già a meno di 770 milioni di anni dal Big Bang. Oggi è difficile, se non impossibile, capire come il buco nero abbia avuto il tempo di acquisire una tale massa in così "poco" tempo. Conosciamo la galassia che ospita quel buco nero così pesante da più di dieci anni, e in questo lasso di tempo, gli scienziati avevano formulato delle ipotesi su come si fosse formato. Ma ora, le osservazioni con il James Webb Space Telescope hanno smentito queste teorie. In base alle misurazioni prese attraverso il telescopio, J1120+0641 sembra un buco nero "apparentemente normale": vediamo il perché...

Spiegazione smentita. La scoperta di J1120+0641 fu annunciata già nel 2011 e per alcuni anni rimase la galassia-quasar più distante conosciuta. J1120+0641 aveva una massa con un valore anomalo, ma ben presto gli astronomi trovarono una spiegazione a questo fenomeno.

Le galassie-quasar hanno un buco nero supermassiccio al loro centro, che si alimenta a una velocità incredibile. Sono circondati da una vasta nuvola di gas e polvere, che divorano il più velocemente possibile. Ciò fa sì che l'attrito e la gravità attorno al buco nero riscaldino il materiale facendolo "brillare" (ossia emettere radiazioni di ogni tipo) molto intensamente.

A tutto c'è un limite. Ma la velocità con cui un buco nero può alimentarsi non è illimitata, dipende dal cosiddetto "limite di Eddington", oltre il quale il materiale riscaldato brilla così intensamente che la pressione della radiazione supera l'attrazione gravitazionale e ciò spinge via il materiale che circonda il buco nero impedendogli di nutrirsi.

In realtà, per un breve periodo, i buchi neri possono comunque superare il limite di Eddington, ma a un certo punto la pressione della radiazione entra in attività e tutto viene spazzato via.

Fino a oggi si ipotizzava che il buco nero di J1120+0641 si trovasse in questa condizione, ma che ben presto "sarebbe intervenuto" il limite di Eddington.

Un aiuto dal telescopio. Per avere la certezza che il buco nero fosse nella fase di accrescimento "super-Eddington", gli astronomi avevano bisogno di dati con una risoluzione sufficiente per eseguire un'analisi dettagliata delle radiazioni emesse della galassia. Quindi hanno chiesto aiuto al Webb Telescope, il telescopio spaziale più potente mai costruito, ottimizzato per scrutare quelle lontane distese di spazio e tempo.

Il telescopio ha osservato la galassia all'inizio del 2023 e un gruppo di astronomi, guidato da Sarah Bosman dell'Istituto Max Planck per l'astronomia in Germania, ha analizzato la luce raccolta per studiare le proprietà del materiale attorno al buco nero, pubblicando i risultati su Nature.

Tutto regolare? Da qui la sorpresa: il buco nero, in realtà, si nutre di ciò che lo circonda in modo normale: non c'è nulla nel suo accrescimento che appaia significativamente diverso da quello di altre galassie-quasar più recenti.

Si è allora pensato che il buco nero gigante fosse circondato da una quantità di polvere tale che portava gli astronomi a sovrastimare la sua massa e dunque ciò portava a ridimensionare quel buco nero. Ma successive osservazioni hanno smentito anche questa ipotesi.

Ciò significa che J1120+0641 è quello che sembra essere: una galassia-quasar piuttosto normale, con un buco nero che non divora materiale a una velocità elevatissima. Ma allora, come è possibile che in solo 700 milioni di anni abbia raggiunto tali dimensioni?

Un "seme" supermassiccio. «Le nuove osservazioni non fanno che aumentare il mistero: i primi quasar erano sorprendentemente normali», afferma Bosman. «Non importa in quali lunghezze d'onda li osserviamo, i quasar sono identici in tutte le epoche dell'Universo». Ciò significa che l'accrescimento super-Eddington non è la soluzione al problema della crescita di buchi neri incredibilmente massicci, come quello che stiamo studiando.

Gli scienziati si stanno dunque orientando su una nuova ipotesi: i buchi neri si sarebbero formati da "semi" piuttosto grandi. Piuttosto che un processo lento e graduale da qualcosa delle dimensioni di una stella, questa nuova ipotesi propone che i buchi neri si siano formati dal collasso di ammassi di materia giganteschi o anche da stelle estremamente grandi fino a centinaia di migliaia di volte la massa del Sole, dando un vantaggio iniziale al buco nero nascente.

Per alcuni astronomi tuttavia, questa soluzione è spostare il problema da un'altra parte, perché a questo punto ci si deve chiedere come possano essere esistite stelle così massicce all'alba dei tempi.

3 luglio 2024 Luigi Bignami
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