Distribuzioni di densità proiettate dei componenti della materia oscura (sfondo e pannello superiore) e del gas (tre pannelli inferiori) quando si forma la stella massiccia. La culla stellare è estremamente asimmetrica come un'ampia struttura a forma di cuneo (pannello centrale) a causa dei movimenti di gas supersonici iniziali lasciati dal Big Bang. Il cerchio nel pannello di destra indica la regione gravitazionalmente instabile con massa di 26, 000 masse solari. Credito:Shingo Hirano
Un team internazionale di ricercatori ha utilizzato con successo una simulazione al supercomputer per ricreare la formazione di un enorme buco nero dai flussi di gas supersonici lasciati dal Big Bang. Il loro studio, pubblicato in questa settimana Scienza , mostra che questo buco nero potrebbe essere la fonte della nascita e dello sviluppo dei più grandi e antichi buchi neri supermassicci registrati nel nostro universo.
"Questo è un progresso significativo. L'origine dei mostruosi buchi neri è un mistero di vecchia data e ora abbiamo una soluzione, " ha detto l'autore e ricercatore principale del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Naoki Yoshida.
Recenti scoperte di questi buchi neri supermassicci situati a 13 miliardi di anni luce di distanza, corrispondente a quando l'universo aveva appena il cinque per cento della sua età attuale, rappresentano una seria sfida alla teoria della formazione e dell'evoluzione dei buchi neri. I meccanismi fisici che formano i buchi neri e ne guidano la crescita sono poco conosciuti.
Studi teorici hanno suggerito che questi buchi neri si siano formati dai resti della prima generazione di stelle, o da un collasso gravitazionale diretto di una massiccia nube di gas primordiale. Però, queste teorie hanno difficoltà a formare buchi neri supermassicci abbastanza velocemente, o richiedono condizioni molto particolari.
Yoshida e il ricercatore estero JSPS Shingo Hirano, attualmente all'Università del Texas ad Austin, identificato un promettente processo fisico attraverso il quale un enorme buco nero potrebbe formarsi abbastanza velocemente. La chiave era incorporare l'effetto dei movimenti del gas supersonici rispetto alla materia oscura. Le simulazioni al supercomputer del team hanno mostrato che un enorme ammasso di materia oscura si era formato quando l'universo aveva 100 milioni di anni. I flussi di gas supersonici generati dal Big Bang sono stati catturati dalla materia oscura per formare un denso, turbolenta nuvola di gas. Dentro, cominciò a formarsi una protostella, e poiché il gas circostante ha fornito materiale più che sufficiente per alimentarsi, la stella è stata in grado di diventare estremamente grande in un breve lasso di tempo senza rilasciare molte radiazioni.
La distribuzione della densità del gas attorno alla protostella appena nata. Il movimento del gas supersonico da sinistra a destra si traduce in un movimento non sferico, struttura a densità compressa. La nuvola interna collassata mostra anche l'oggetto turbolento, che può rapidamente accumularsi sulla protostella centrale e provocarne una rapida crescita di massa. Credito:Shingo Hirano
"Una volta raggiunta la massa di 34, 000 volte quella del nostro sole, la stella è crollata per la sua stessa gravità, lasciando un enorme buco nero. Questi enormi buchi neri nati nell'universo primordiale hanno continuato a crescere e fondersi insieme per diventare un buco nero supermassiccio, " disse Yoshida.
"La densità numerica dei buchi neri massicci è derivata da circa uno per un volume di tre miliardi di anni luce su un lato, notevolmente vicino alla densità numerica osservata dei buchi neri supermassicci, " disse Hirano.
L'evoluzione della struttura di temperatura e densità nella fase di accrescimento protostellare dopo la formazione della protostella. Il rapido accrescimento della nube di gas densa (contorno bianco) limita un'espansione della regione fotoionizzata (rossa) che è possibile bloccare l'accrescimento del gas. Attestazione:Takashi Hosokawa
Il risultato di questo studio sarà importante per la ricerca futura sulla crescita di enormi buchi neri. Soprattutto con l'aumento del numero di osservazioni di buchi neri nell'universo lontano che dovrebbero essere effettuate quando il James Webb Space Telescope della NASA verrà lanciato il prossimo anno.
Questa ricerca è stata pubblicata in Scienza il 28 settembre.
