La luce rilasciata intorno ai primi buchi neri massicci nell'universo è così intensa che è in grado di raggiungere i telescopi attraverso l'intera distesa dell'universo. Incredibilmente, la luce dei buchi neri (o quasar) più distanti viaggia verso di noi da oltre 13 miliardi di anni luce. Però, non sappiamo come si siano formati questi mostri buchi neri.

Nuova ricerca condotta da ricercatori del Georgia Institute of Technology, Università della città di Dublino, Università statale del Michigan, l'Università della California a San Diego, il San Diego Supercomputer Center e IBM, fornisce una strada nuova ed estremamente promettente per risolvere questo enigma cosmico. Il team ha dimostrato che quando le galassie si assemblano in modo estremamente rapido e talvolta violento, ciò può portare alla formazione di buchi neri molto massicci. In queste rare galassie, La normale formazione stellare viene interrotta e subentra la formazione del buco nero.

Il nuovo studio rileva che enormi buchi neri si formano in regioni dense senza stelle che stanno crescendo rapidamente, capovolgendo la credenza a lungo accettata che la massiccia formazione di buchi neri fosse limitata alle regioni bombardate dalla potente radiazione delle galassie vicine. Conclusioni dello studio, riportato il 23 gennaio sulla rivista Natura e sostenuto da finanziamenti della National Science Foundation, l'Unione Europea e la NASA, scopre anche che i buchi neri massicci sono molto più comuni nell'universo di quanto si pensasse in precedenza.

I criteri chiave per determinare dove si sono formati massicci buchi neri durante l'infanzia dell'universo si riferiscono alla rapida crescita delle nubi di gas pre-galattiche che sono i precursori di tutte le galassie odierne, il che significa che la maggior parte dei buchi neri supermassicci ha un'origine comune che si forma in questo scenario appena scoperto, disse John Wise, un professore associato presso il Center for Relativistic Astrophysics presso la Georgia Tech e l'autore corrispondente dell'articolo. La materia oscura collassa in aloni che sono la colla gravitazionale di tutte le galassie. La rapida crescita precoce di questi aloni ha impedito la formazione di stelle che avrebbero gareggiato con i buchi neri per il flusso di materia gassosa nell'area.

"In questo studio, abbiamo scoperto un meccanismo totalmente nuovo che innesca la formazione di enormi buchi neri in particolari aloni di materia oscura, " Wise ha detto. "Invece di considerare solo le radiazioni, dobbiamo guardare quanto velocemente crescono gli aloni. Non abbiamo bisogno di molta fisica per capirlo, solo come è distribuita la materia oscura e come la gravità lo influenzerà. La formazione di un enorme buco nero richiede di trovarsi in una regione rara con un'intensa convergenza di materia".

Quando il team di ricerca ha trovato questi siti di formazione di buchi neri nella simulazione, all'inizio rimasero perplessi, disse John Regan, ricercatore presso il Centre for Astrophysics and Relativity della Dublin City University. Il paradigma precedentemente accettato era che i buchi neri massicci potevano formarsi solo se esposti ad alti livelli di radiazioni vicine.

"Le teorie precedenti suggerivano che ciò dovesse accadere solo quando i siti erano esposti ad alti livelli di radiazioni che uccidono la formazione stellare, " ha detto. "Mentre scavavamo più a fondo, abbiamo visto che questi siti stavano attraversando un periodo di crescita estremamente rapida. Quella era la chiave. La natura violenta e turbolenta del rapido raduno, il violento schianto delle fondamenta della galassia durante la nascita della galassia ha impedito la normale formazione stellare e ha portato invece a condizioni perfette per la formazione del buco nero. Questa ricerca sposta il paradigma precedente e apre un'area di ricerca completamente nuova".

La teoria precedente si basava su un'intensa radiazione ultravioletta proveniente da una galassia vicina per inibire la formazione di stelle nell'alone che formava il buco nero, disse Michele Normanno, direttore del San Diego Supercomputer Center presso la UC San Diego e uno degli autori dell'opera. "Mentre la radiazione UV è ancora un fattore, il nostro lavoro ha dimostrato che non è il fattore dominante, almeno nelle nostre simulazioni, " Lui ha spiegato.

La ricerca si è basata sulla suite Renaissance Simulation, un set di dati di 70 terabyte creato sul supercomputer Blue Waters tra il 2011 e il 2014 per aiutare gli scienziati a capire come si è evoluto l'universo durante i suoi primi anni. Per saperne di più su regioni specifiche in cui è probabile che si sviluppino enormi buchi neri, i ricercatori hanno esaminato i dati della simulazione e hanno trovato dieci specifici aloni di materia oscura che avrebbero dovuto formare stelle date le loro masse ma contenevano solo una densa nube di gas. Utilizzando il supercomputer Stampede2, hanno quindi ri-simulato due di quegli aloni, ciascuno di circa 2, 400 anni luce di diametro, a una risoluzione molto più alta per comprendere i dettagli di ciò che stava accadendo in loro 270 milioni di anni dopo il Big Bang.

"È stato solo in queste regioni eccessivamente dense dell'universo che abbiamo visto la formazione di questi buchi neri, " Wise ha detto. "La materia oscura crea la maggior parte della gravità, e poi il gas cade in quel potenziale gravitazionale, dove può formare stelle o un enorme buco nero".

Le simulazioni rinascimentali sono le simulazioni più complete delle prime fasi dell'assemblaggio gravitazionale del gas incontaminato composto da idrogeno ed elio e della materia oscura fredda che porta alla formazione delle prime stelle e galassie. Usano una tecnica nota come affinamento della mesh adattiva per ingrandire i gruppi densi che formano stelle o buchi neri. Inoltre, coprono una regione abbastanza grande dell'universo primordiale da formare migliaia di oggetti, un requisito se si è interessati a oggetti rari, come è il caso qui. "L'alta risoluzione, una fisica ricca e un ampio campione di aloni crollanti erano tutti necessari per ottenere questo risultato, "disse Normanno.

La migliore risoluzione della simulazione eseguita per due regioni candidate ha permesso agli scienziati di vedere la turbolenza e l'afflusso di gas e grumi di materia che si formavano mentre i precursori del buco nero iniziavano a condensarsi e ruotare. Il loro tasso di crescita è stato drammatico.

"Astronomers observe supermassive black holes that have grown to a billion solar masses in 800 million years, " Wise said. "Doing that required an intense convergence of mass in that region. You would expect that in regions where galaxies were forming at very early times."

Another aspect of the research is that the halos that give birth to black holes may be more common than previously believed.

"An exciting component of this work is the discovery that these types of halos, though rare, may be common enough, " said Brian O'Shea, a professor at Michigan State University. "We predict that this scenario would happen enough to be the origin of the most massive black holes that are observed, both early in the universe and in galaxies at the present day."

Future work with these simulations will look at the lifecycle of these massive black hole formation galaxies, studying the formation, growth and evolution of the first massive black holes across time. "Our next goal is to probe the further evolution of these exotic objects. Where are these black holes today? Can we detect evidence of them in the local universe or with gravitational waves?" Regan asked.

For these new answers, the research team—and others—may return to the simulations.

"The Renaissance Simulations are sufficiently rich that other discoveries can be made using data already computed, " said Norman. "For this reason we have created a public archive at SDSC containing called the Renaissance Simulations Laboratory where others can pursue questions of their own."