I buchi neri si formano quando le stelle muoiono, permettendo alla materia in essi di collassare in un oggetto estremamente denso da cui nemmeno la luce può sfuggire. Gli astronomi teorizzano che potrebbero formarsi enormi buchi neri anche alla nascita di una galassia, ma finora nessuno è stato in grado di guardare abbastanza indietro nel tempo per osservare le condizioni che creano questi buchi neri a collasso diretto (DCBH).

Il telescopio spaziale James Webb, previsto per il lancio nel 2021, potrebbe essere in grado di guardare abbastanza indietro nell'Universo primordiale per vedere una galassia che ospita un enorme buco nero nascente. Ora, una simulazione fatta dai ricercatori del Georgia Institute of Technology ha suggerito cosa dovrebbero cercare gli astronomi se cercano nei cieli un DCBH nelle sue fasi iniziali.

La prima simulazione nel suo genere, riportato il 10 settembre sulla rivista Astronomia della natura , suggerisce che la formazione diretta di questi buchi neri sarebbe accompagnata da specifici tipi di radiazioni intense, compresi i raggi X e l'emissione ultravioletta che passerebbe all'infrarosso nel momento in cui raggiungono il telescopio. I buchi neri probabilmente genererebbero anche enormi stelle prive di metallo, una scoperta inaspettata.

La ricerca è stata supportata dalla NASA, il Laboratorio Nazionale di Los Alamos, la Fondazione Nazionale della Scienza, il Southern Regional Education Board e due borse di studio Hubble.

"Ci sono buchi neri supermassicci al centro di molte grandi galassie, ma non siamo stati in grado di osservare il modo in cui si formano o come sono diventati così grandi, " disse Kirk S.S. Barrow, il primo autore del documento e un recente dottorato di ricerca. laureato alla School of Physics della Georgia Tech. "Gli scienziati hanno teorizzato che questi buchi neri supermassicci potrebbero essersi formati alla nascita di una galassia, e volevamo trasformare queste previsioni teoriche in previsioni osservative che potevano essere viste dal James Webb Space Telescope".

La formazione di DCBH sarebbe iniziata dal collasso di una grande nube di gas durante la prima formazione di una galassia, disse John H. Wise, un professore alla School of Physics della Georgia Tech e al Center for Relativistic Astrophysics. Ma prima che gli astronomi potessero sperare di catturare questa formazione, avrebbero dovuto sapere cosa cercare negli spettri che il telescopio poteva rilevare, che è principalmente a infrarossi.

La formazione di un buco nero potrebbe richiedere circa un milione di anni, ma per immaginare come sarebbe potuto sembrare, l'ex ricercatore post-dottorato Aycin Aykutalp, ora al Los Alamos National Laboratory, ha utilizzato lo Stampede Supercomputer dell'Università del Texas ad Austin, supportato dalla National Science Foundation, per eseguire una simulazione incentrata sulle conseguenze della formazione del DCBH. La simulazione ha utilizzato i primi principi della fisica come la gravità, radiazione e idrodinamica.

"Se si forma prima la galassia e poi si forma il buco nero al centro, che avrebbe un tipo di firma, " disse Wise. "Se il buco nero si è formato per primo, avrebbe una firma diversa? Volevamo scoprire se ci sarebbero state differenze fisiche, e se così fosse, se ciò si tradurrebbe in differenze che potremmo osservare con il James Webb Space Telescope".

Le simulazioni hanno fornito informazioni quali densità e temperature, e Barrow ha convertito quei dati in previsioni per ciò che potrebbe essere osservato attraverso il telescopio:la luce che è probabile che venga osservata e come sarebbe influenzata dal gas e dalla polvere che avrebbe incontrato durante il suo lungo viaggio verso la Terra. "Alla fine, avevamo qualcosa che un osservatore poteva sperare di vedere, " disse Barrow.

I buchi neri impiegano circa un milione di anni per formarsi, un tuffo nel tempo galattico. Nella simulazione DCBH, quel primo passo prevede il collasso del gas in una stella supermassiccia fino a 100, 000 volte più massiccio del nostro sole. La stella subisce quindi instabilità gravitazionale e collassa su se stessa per formare un enorme buco nero. Le radiazioni del buco nero innescano quindi la formazione di stelle in un periodo di circa 500, 000 anni, la simulazione suggerita.

"Le stelle di questa prima generazione sono di solito molto più massicce, quindi vivono per un periodo di tempo più breve, " Wise ha detto. "Nei primi cinque o sei milioni di anni dopo la loro formazione, muoiono e diventano supernova. Questa è un'altra delle firme che riportiamo in questo studio".

Dopo la forma della supernova, il buco nero si calma ma crea una lotta tra le emissioni elettromagnetiche - luce ultravioletta e raggi X che cercano di fuggire - e la gravità stessa del buco nero. "Questi cicli vanno avanti per altri 20 o 30 milioni di anni, "Disse saggio.

I buchi neri sono relativamente comuni nell'universo, quindi la speranza è che con abbastanza istantanee, gli astronomi potrebbero coglierne uno che nasce, e questo potrebbe portare a una nuova comprensione di come le galassie si evolvono nel tempo.

La formazione stellare intorno al DCBH è stata inaspettata, ma col senno di poi, ha senso, disse Barrow. La ionizzazione prodotta dai buchi neri produrrebbe reazioni fotochimiche in grado di innescare la formazione delle stelle. Le stelle prive di metalli tendono ad essere più grandi di altre perché l'assenza di un metallo come il ferro impedisce la frammentazione. Ma poiché sono così grandi, queste stelle producono enormi quantità di radiazioni e terminano la loro vita nelle supernove, Egli ha detto.

"Questo è uno degli ultimi grandi misteri dell'universo primordiale, Barrow ha detto. "Speriamo che questo studio fornisca un buon passo avanti verso la comprensione di come si siano formati questi buchi neri supermassicci alla nascita di una galassia".