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Buco nero fin dalla nascita

Simulazione al supercomputer del collasso di una nube di gas primordiale che diventa un buco nero.
Simulazione al supercomputer del collasso di una nube di gas primordiale che diventa un buco nero. Credit: Aaron Smith/TACC/UT-Austin.

Al centro della galassia "starburst" CR7 potrebbe esserci un buco nero priomordiale, formatosi dal collasso diretto del gas poco dopo il Big Bang.

 In un precedente articolo, Elisabetta Bonora aveva parlato di CR7, una "galassia attiva primordiale" molto interessante perchè presentava segni di una intensa formazione stellare avvenuta quasi "a ridosso" del Big Bang. In effetti, la prima interpretazione della grande luminosità di questo oggetto (situato ai confini dell'universo osservabile, con red shift z pari a 6.6 e quindi a soli 800 milioni di anni dal Big Bang), era quella di una emissione legata alla nascita di stelle di primissima generazione (la cosiddetta "popolazione III"). L'idea era sostenuta dall'osservazione di intense righe in emissione dell'idrogeno (Ly-α) e dell'elio (He-II) ionizzati, mentre elementi più pesanti (i cosiddetti "metalli") sono assenti. Tuttavia, le osservazioni fatte con i telescopi Keck e VLT mostravano anche una differenza inspiegabile nel moto di questi due elementi, un "offset" di velocità radiale pari a 160 km/s, difficile da spiegare con il modello dello "starburst" poichè richiede un flusso di idrogeno verso l'esterno.

CR7 Galaxy 340x263

La galassia CR7 fotografata dal telescopio giapponese Subaru.

 Ora, un nuovo studio di tre ricercatori americani (Aaron Smith, Volker Bromm e Abraham Loeb) pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dimostra che, utilizzando un modello radiativo-idrodinamico unidimensionale, le proprietà di queste intense righe di emissione (che provengono da una regione ampia 50mila anni luce) non possono venire spiegate da un ammasso di giovani stelle di popolazione III perchè, con una temperatura di 100mila gradi, esse finirebbero per ionizzare il gas circostante in maniera "troppo efficente" per poter giustificare la differenza di velocità tra idrogeno ed elio cui si accennava. Invece, un bel disco di accrescimento attorno ad buco nero generebbe radiazione non termica che potrebbe spiegare le caratteristiche osservate, come illustrato nelle figure seguenti.

Lya MBH

Risultati della simulazione sull'offset di velocità dopo 3 e 60 milioni di anni prodotte dal buco nero - credit: A. Smith et al.

 Già nel 2003, Bromm e Loeb proposero un meccanismo secondo cui una galassia primordiale appena formata, invece di dare vita a una intensa formazione stellare, fa da seme alla formazione di un unico astro molto più grande che genera immediatamente un buco nero supermassiccio, sopprimendo l'assorbimento di energia altrimenti proibitiva da dedicare alla formazione stellare. Essi chiamarono il processo "collasso diretto". "Si inizia con una nuvola primordiale di idrogeno ed elio, immersa in un mare di radiazione ultravioletta e si comprime questa nube nel campo gravitazionale di un alone di materia oscura" ha detto Bromm. "Normalmente, la nube sarebbe in grado di raffreddare, e i frammenti formerebbero le stell"e. Tuttavia, i fotoni ultravioletti mantengono il gas caldo, sopprimendo così qualsiasi formazione stellare su piccola scala. Queste condizioni quasi miracolose (collasso senza frammentazione) consentono alla fine di formare un buco nero di massa elevata ed esistevano nell'universo molto presto, quando era più denso e più caldo; oggi il processo sarebbe impossibile.

Pop MBH

Simulazione sull'evoluzione temporale dell' "offset" prodotte da bucco nero primordiale (in rosso) e dall'ammasso stellare di pop. III (in nero) - A. Smith et al.

 A dire il vero, la presenza di buchi neri primordiali era stata anticipata già in precedenti lavori da parte di diversi astrofisici, anche italiani. Ad esempio, Andrea Pallottini della Scuola Normale Superiore di Pisa già lo scorso anno aveva proposto un modello per CR7 che ipotizzava un processo di accrescimento su un buco nero massiccio. Un altro gruppo italiano guidato da Fabio Pacucci, sempre della Scuola Normale Superiore, ha recentemente proposto  prove convincenti sulla identificazione di buchi neri formatisi per collasso diretto.

 

Riferimenti:
- http://arxiv.org/pdf/1602.07639v2.pdf
-
http://www.media.inaf.it/2016/07/08/un-buco-nero-primordiale-per-cr7/
-
http://www.universetoday.com/129806/indications-early-forming-direct-collapse-black-hole-seen/#

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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