Da dove vengono i buchi neri ultramassicci

Un supercomputer ha indagato l'origine di questi rari oggetti estremi

Raffigurazione schematica di buchi neri e delle distorsioni introdotte alla luce.

I buchi neri si dividono sostanzialmente in due classi: quelli di massa stellare e quelli supermassicci (SMBH) che troviamo al centro delle galassie. I primi derivano dal collasso di stelle molto massicce il cui nucleo non si assesta in una stella di neutroni. I secondi occupano in genere il centro delle galassie con stazze da milioni ad alcuni miliardi di masse solari.

L’origine dei SMBH è ancora un mistero e non c’è tuttora una teoria che ne spieghi la formazione in modo convincente. Sappiamo che la loro formazione è avvenuta molto presto nel giovane Universo e la prova la troviamo in un numero impressionante di quasar ad alto spostamento verso il rosso. I quasar non sono altro che nuclei galattici attivi (AGN) alimentati da SMBH colti in una fase parossistica. Anche la Via Lattea ne ospita uno di 4,2 milioni di masse solari, però non manifesta in modo appariscente la sua presenza perché in questo momento non sta divorando grandi quantità di materia.

Uno in ogni grande galassia

Gli astronomi concordano che tutte le grandi galassie ne ospitano uno al loro centro, rappresentando in concreto il fondo del loro pozzo gravitazionale, comprendente anche il grande alone di materia oscura. Tuttavia alcuni buchi neri supermassicci sono stati scoperti pure in galassie nane locali ed è probabile che in esse trovino posto i più schivi buchi neri di massa intermedia, cioè con migliaia di masse solari.

La formazione dei SMBH sembra nell’epoca attuale davvero terminata, quindi gli astronomi pensano che siano oggetti pressoché primordiali, formati a seguito di un qualche processo in cerca di comprensione. Per tale ragione usano simulazioni sempre più raffinate affidate a potenti supercomputer, impostando condizioni iniziali talvolta anche esotiche. Non può essere tralasciato nulla e, in questi casi, vale il principio che se qualcosa lo puoi pensare allora può esistere.

Rappresentazione in scala di quelli che si pensano essere i più grandi buchi neri “ultramassicci”. Phoenix A* avrebbe una massa di 100 miliardi di masse solari, Ton 618 arriva a 66. (CC BY-SA 4.0)

Quelli di massa più estrema

Le simulazioni eseguite con il supercomputer del Frontera del Texas Advanced Computing Center (TACC) concorrono in questo processo di creatività scientifica. I risultati sono talvolta inattesi e aiutano gli astrofisici a meglio comprendere l’origine dei buchi neri ultramassicci. Con questo nome gli specialisti si riferiscono ai SMBH con le masse più estreme, già presenti circa 11 miliardi di anni fa.

Masse così importanti non possono essere certamente spiegate invocando il collasso d’intere regioni nelle galassie primordiali poiché non c’era il tempo materiale per accumulare così tanta materia per invocare l’evoluzione delle prime stelle e la fusione gerarchica dei loro resti.

Possono invece essere il risultato della fusione di più SMBH nel corso della primissima formazione galattica. In altri termini, alcuni buchi neri supermassici o di taglia intermedia avrebbero formato gli ultramassicci con reciproche fusioni di tipo gerarchico. Questo processo avrebbe richiesto un tempo cosmico relativamente breve ed è quello che, effettivamente, si osserva.

La fase di fusione di tre buchi neri supermassici al centro di quasar così come calcolato dalla simulazione numerica Astrid.
(Yueying Ni et al. 2022)

Una possibile spiegazione con Astrid

Abbiamo scoperto che un possibile canale di formazione per i buchi neri ultramassicci proviene dall’estrema fusione di galassie massicce che è molto probabile che avvenga nell’epoca del ‘mezzogiorno cosmico’“, ha detto Yueying Ni, primo autore dello studio pubblicato in The Astrophysical Journal Letters in cui è riportata la scoperta che i buchi neri ultramassicci possono derivare dalla fusione di quasar tripli. Stiamo quindi parlando di sistemi formati da tre AGN che si fondono in un solo oggetto di grandissima massa. Però attenzione: è solo una simulazione e tale oggetto non è stato osservato nell’Universo vero.

Ni è, infatti, tra gli sviluppatori di ASTRID, la più grande simulazione N-body nel campo della formazione galattica. L’obiettivo scientifico di Astrid è studiare la formazione delle galassie, la coalescenza dei buchi neri supermassicci e la reionizzazione nel corso della storia cosmica, modellando grandi volumi di universo con una risoluzione davvero altissima. Tutto questo è possibile grazie all’uso di TACC, il più potente supercomputer accademico degli Stati Uniti. TACC è l’ideale per le simulazioni grazie alla capacità di supportare applicazioni di grandi dimensioni.

Un limite per i supermassici

Astrid ha mostrato qualcosa di assolutamente sbalorditivo: la formazione di buchi neri supermassici può raggiungere un limite superiore teorico di 10 miliardi di masse solari.

Quello che abbiamo trovato sono tre buchi neri ultra-massicci che hanno riunito la loro massa durante il mezzogiorno cosmico, cioè il tempo di 11 miliardi di anni fa in cui la formazione stellare, i nuclei galattici attivi e i buchi neri supermassicci in generale raggiungono il loro picco di attività“, ha aggiunto Ni. “In questa epoca abbiamo individuato una fusione estrema e relativamente veloce di tre enormi galassie. Ognuna delle masse galattiche è 10 volte la massa della nostra Via Lattea, e un buco nero supermassiccio si trova al centro di ogni galassia. Le nostre scoperte mostrano la possibilità che questi sistemi di triplette di quasar siano i progenitori di quei rari buchi neri ultra-massicci , dopo che quelle triplette interagiscono gravitazionalmente e si fondono l’una con l’altra“.

Questa scoperta, per ora solo teorica, apre la strada alla verifica sperimentale. I dati del James Webb Space Telescope (JWST) hanno la profondità sufficiente per osservare nel dettaglio oggetti posti in tale epoca. Altre conferme potrebbero arrivare dallo studio delle onde gravitazionali da cui derivare la formazione di questi oggetti estremi.

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Informazioni su Giuseppe Donatiello 353 Articoli
Nato nel 1967, astrofilo da sempre. Interessato a tutti gli aspetti dell'astronomia, ha maturato una predilezione per il deep-sky, in particolare verso i temi riguardanti il Gruppo Locale e l'Universo Locale. Partecipa allo studio dei flussi stellari in galassie simili alla Via Lattea mediante tecniche di deep-imaging. Ha scoperto sei galassie nane vicine: Donatiello I (2016), Donatiello II, III e IV nel sistema di NGC 253 (2020), Pisces VII (2020) e Pegasus V (2021) nel sistema di M31. Astrofotografo e autore di centinaia di articoli, alcuni con revisione paritaria.