Ci vuole molto tempo perché si formino buchi neri supermassicci, come quello al centro della nostra galassia, la Via Lattea. In genere, la nascita di un buco nero richiede che una stella gigante con una massa di almeno 50 dei Soli bruci e che il suo nucleo collassi su se stesso, un processo che può richiedere più di un miliardo di anni. E, con sole circa 10 masse solari, il buco nero risultante sarebbe ben lontano dal buco nero da 4 milioni di masse solari, Sagittarius A*, della Via Lattea, o dai buchi neri supermassicci da miliardi di masse solari trovati in altre galassie. Questi buchi neri giganteschi possono formarsi da buchi neri più piccoli per accrescimento di gas e stelle e tramite fusioni con altri buchi neri ma il processo richiede sempre miliardi di anni. Eppure, le recenti osservazioni del telescopio spaziale James Webb (JWST) hanno dimostrato che questi oggetti erano già massicci solo qualche milioni di anni dopo il Big Bang.

Secondo gli astrofisici dell'UCLA (Università della California di Los Angeles) la materia oscura ha impedito all'idrogeno di raffreddarsi tanto da permettere alla gravità di condensarlo in nubi grandi e dense, in grado di collassare in buchi neri anziché in stelle.

La teoria è stata pubblicata sulla rivista Physical Review Letters.


OOPArt spaziali

Spesso si usa questo termine inglese, OOPArt (Out Of Place ARTifacts, ovvero "manufatti, reperti fuori posto") per dare una classificazione ai reperti archeologici o paleontologici terrestri apparentemente anacronistici. I buchi neri supermassicci nell'universo primordiale sono un esempio di come queste situazioni siano presenti anche nello spazio.

"Quanto è stato sorprendente trovare un buco nero supermassiccio con una massa di un miliardo di volte quella solare quando l'universo stesso ha solo mezzo miliardo di anni", ha detto l'autore senior Alexander Kusenko, professore di fisica e astronomia alla UCLA. "È come trovare un'auto moderna tra le ossa di dinosauro e chiedersi chi l'abbia costruita nella preistoria".


Da una grande nube di gas non può nascere un buco nero

Alcuni astrofisici hanno ipotizzato che una grande nube di gas potrebbe collassare per creare direttamente un buco nero supermassiccio, aggirando la lunga storia di combustione stellare, accrescimento e fusioni. Tuttavia, la gravità non riuscirebbe a formare un'unica grande nube di gas ma, piuttosto, si formeranno tanti piccoli aloni di gas fluttuanti l'uno vicino all'altro, senza formare un buco nero. Il motivo è che la nube di gas si raffredderebbe troppo rapidamente. Finché il gas è caldo, la sua pressione può contrastare la gravità ma quando il gas si raffredda, la pressione diminuisce e la gravità può prevalere solo in piccole regioni.

"La rapidità con cui il gas si raffredda ha molto a che fare con la quantità di idrogeno molecolare", ha affermato il primo autore e dottorando Yifan Lu. "Gli atomi di idrogeno legati insieme in una molecola dissipano energia quando incontrano un atomo di idrogeno libero. Le molecole di idrogeno diventano agenti di raffreddamento poiché assorbono energia termica e la irradiano. Le nubi di idrogeno nell'universo primordiale avevano troppo idrogeno molecolare e il gas si è raffreddato rapidamente e ha formato piccoli aloni invece di grandi nubi". Tuttavia, una radiazione aggiuntiva può riscaldare il gas e dissociare le molecole di idrogeno, alterando il modo in cui il gas si raffredda.

"Se aggiungi radiazioni in un certo intervallo di energia, distruggi l'idrogeno molecolare e crei condizioni che impediscono la frammentazione di grandi nubi", ha affermato Lu.

Lu e il ricercatore post-dottorato Zachary Picker hanno scritto un codice per calcolare tutti i possibili processi di questo scenario.

Ma da dove proviene la radiazione?

 È opinione, piuttosto comune, ritenere che l'universo sia costituito per la maggior parte da materia oscura, ossia da nuove particelle che gli scienziati non hanno ancora identificato. Questa ipotetica componente della materia non sembra emettere radiazione elettromagnetica ma è rilevabile in modo indiretto attraverso i suoi effetti gravitazionali.

Anche se gli scienziati non sanno esattamente di cosa sia fatta, ipotizzano che contenga particelle instabili, in tutto o in parte. Il prodotto del decadimento potrebbe essere una radiazione sotto forma di fotoni in grado di fornire la radiazione necessaria al gas per rimanere condensato in una grande nube mentre collassa in un buco nero.

Nelle simulazioni di Lu e colleghi anche un decadimento molto lieve della materia oscura ha prodotto abbastanza radiazione da impedire il raffreddamento del gas, formando grandi nubi e, alla fine, buchi neri supermassicci.