Sebbene la loro esistenza sia innegabile, gli astronomi di tutto il mondo non sono ancora sicuri di come si formino effettivamente i buchi neri supermassicci. Un progetto finanziato dall'UE ha cercato di rispondere a questa domanda simulando la formazione e la crescita dei loro semi:buchi neri creati quando una stella estremamente massiccia collassa.

Questa è una delle domande più sconcertanti in astronomia:come si sono formati i buchi neri supermassicci nelle prime ere cosmiche? Sono stati osservati quasar luminosi distanti che tradiscono la loro esistenza quando l'universo aveva meno di un miliardo di anni. Ma ecco il punto:il processo di crescita convenzionale di un buco nero è troppo lento per consentire la loro esistenza.

Ci sono potenziali spiegazioni. È stato detto, Per esempio, che questi buchi neri supermassicci sono nati dall'esplosione di stelle supermassicce, dal crollo di grandi nubi di gas, o anche da collisioni tra buchi neri più piccoli. La teoria che ha attirato l'attenzione del dottor Muhammad Latif, però, era che tali buchi neri in realtà crescevano da estremamente grandi, buchi neri semi di "collasso diretto".

Grazie al finanziamento nell'ambito del progetto FIRSTBHS (La formazione dei buchi neri supermassicci nell'universo primordiale), Il dottor Latif ha simulato la formazione e la crescita di questi semi.

Cosa rende così interessanti i primi buchi neri supermassicci?

I primi buchi neri supermassicci sono molto interessanti poiché si sono formati nell'universo infantile, entro il primo miliardo di anni dopo il Bing Bang, solo una piccola frazione dell'età attuale dell'universo (13,7 miliardi di anni). Sfidano la nostra comprensione della formazione della struttura nell'universo.

Una buona analogia sarebbe una situazione in cui andresti all'asilo e trovare un bambino alto due metri. Ovviamente ti chiederai come questo bambino sia mai riuscito a crescere fino a una tale altezza. È lo stesso con questi buchi neri:le loro masse sono miliardi di volte più grandi di quella del nostro Sole, ed è difficile capire come possano diventare così massicci in così poco tempo, quando le stelle e le galassie hanno appena iniziato a formarsi.

Più specificamente, quali lacune conoscitive intendevi colmare con questo progetto?

Volevamo capire quale sarebbe stato il modo più fattibile per assemblare oggetti così massicci. Ci sono tre principali meccanismi astrofisici che potrebbero portare alla formazione dei primi buchi neri supermassicci. Lo scenario più promettente è il cosiddetto metodo del collasso diretto:fornisce semi enormi, che facilita la loro crescita.

Con questo progetto, abbiamo voluto esplorare la fattibilità di questo scenario, quanto sono massicci i semi che può fornire e quanto sono abbondanti, confrontare la loro densità numerica con le osservazioni e indagare in dettaglio i meccanismi astrofisici sottostanti. Abbiamo inoltre mirato a ricavare le loro firme osservative e fare previsioni per le prossime missioni spaziali e terrestri.

Come hai proceduto a farlo?

Abbiamo eseguito le cosiddette simulazioni cosmologiche tridimensionali partendo da condizioni iniziali ab initio modellando in dettaglio tutti i processi fisici necessari.

Quali diresti siano stati gli aspetti più innovativi di questa metodologia?

Direi che è la multifisica della nostra simulazione cosmologica, che includeva modelli di turbolenza chimica e irrisolta dettagliati, campi magnetici, trasferimento radiativo al modello UV, Feedback a raggi X dall'accrescimento di buchi neri e stelle, così come l'arricchimento del metallo. Questo approccio va oltre lo stato dell'arte nel campo.

Quali sono stati i risultati più importanti del progetto?

I nostri risultati mostrano che il meccanismo di collasso diretto fornisce enormi buchi neri seme di 10^5 a 10^6 masse solari, che possono crescere fino a formare i primi buchi neri supermassicci.

Le condizioni per la formazione di tali oggetti sono ideali nell'universo primordiale. Particolarmente, gli aloni massicci incontaminati illuminati da un forte flusso UV sono le potenziali culle per la formazione di buchi neri massicci. I nostri risultati suggeriscono che tali oggetti sono rari, in quanto richiedono condizioni speciali per formarsi, ma questo è ancora oggetto di dibattito tra gli esperti.

Cosa ti aspetti dalle missioni JWST e ATHENA?

Speriamo che JWST trovi alcuni dei buchi neri del seme, poiché questi oggetti distanti sono piuttosto deboli nelle fasi iniziali. Certo, dipende anche da quanto sono abbondanti, che è ancora una questione aperta.

ATENA sembra più promettente, poiché si prevede di rilevare alcune centinaia di AGN a bassa luminosità a z> 6 che aiuterà a vincolare i modelli di formazione dei buchi neri.

Quali sono i tuoi piani di follow-up, se del caso?

Attualmente stiamo studiando la crescita dei buchi neri nell'universo primordiale per i quali abbiamo effettuato simulazioni dettagliate. Con i miei collaboratori, stiamo cercando di capire come il feedback dal buco nero e dalle stelle influenzi la crescita dei buchi neri, e anche il ruolo dell'ambiente, correnti fredde che alimentano questi buchi neri, ecc. Miriamo a derivare osservabili sintetici per E-ELT, Euclide, ATENA, JWST e SKA, e speriamo che un simile approccio ci aiuti a comprendere la formazione e la crescita dei primi buchi neri supermassicci.