Dobbiamo parlare dei secoli bui. No, non quei secoli bui dopo la caduta dell'Impero Romano d'Occidente. I secoli bui cosmologici. Il tempo nel nostro universo, miliardi di anni fa, prima della formazione delle prime stelle. E bisogna parlare dell'alba cosmica:la nascita di quelle prime stelle, un'epoca tumultuosa che ha completamente rimodellato il volto del cosmo nella sua forma moderna.

Quelle prime stelle potrebbero essere state completamente diverse da qualsiasi cosa vediamo nell'universo attuale. E potremmo, se siamo fortunati, essere sul punto di vederli per la prima volta.

I primi buchi neri

Per prima cosa dobbiamo creare un piccolo mistero.

Ormai sappiamo tutti come nascono i buchi neri. Una stella gigante, da qualche parte a nord di otto volte la massa del nostro sole, vive la sua breve ma prevedibile vita, fondere l'idrogeno in elio. Quindi esaurisce l'idrogeno e inizia a fondere l'elio. Poi finisce l'elio e inizia a bruciare roba più pesante, risalendo la tavola periodica fino a toccare il ferro. Il ferro fondente succhia energia invece di rilasciare energia, e quindi niente può fermare il terribile collasso gravitazionale della stella. Tutto viene compresso in un volume minuscolo, e ora hai un buco nero.

Nel tempo quel buco nero può incontrare e consumare altri buchi neri, o semplicemente succhiare il materiale interstellare circostante, aumentando in robustezza per tutto il tempo. Dato abbastanza tempo e cibo a sufficienza, il buco nero può gonfiarsi fino a diventare un gigante, un gigante supermassiccio. Queste creature si nascondono nei cuori delle galassie, e facilmente inclinare la bilancia a un enorme milione di volte la massa del nostro sole.

Nuovo materiale continua a cadere - solo perché il buco nero è gigantesco non significa che la sua fame sia sazia - e mentre il gas cade nelle fauci spalancate del buco nero, si comprime e si riscalda, risplende più luminoso delle stelle di una galassia. Questo oggetto ha diversi nomi:quasar, blazar, nucleo galattico attivo, ma significano tutti la stessa cosa:un gigantesco buco nero si sta nutrendo.

Va tutto bene e un po' terrificante, ma ecco un problema. Vediamo quasar nell'universo molto lontano, il che significa che vediamo quasar nell'universo molto giovane, quando non aveva nemmeno un miliardo di anni (sì, è giovane per un universo). E il processo che ho appena descritto (formare grandi stelle, lasciandoli vivere e morire, creando un buco nero, lasciarlo nutrire a proporzioni gigantesche) richiede molto più di un miliardo di anni.

In che modo il nostro universo ha prodotto buchi neri mostruosi così rapidamente?

Fossili di un'età antica

Se la solita stella-> buco nero-> la rotta quasar non sembra funzionare nell'universo primordiale, è giunto il momento di considerare alternative. Scorciatoie. Esistono percorsi più veloci per creare i grandi buchi neri richiesti dalle nostre osservazioni. E il modo più rapido per creare un buco nero supermassiccio è iniziare con una stella supermassiccia.

Quanto supermassiccio? Che ne dici di 100, 000 masse solari, è abbastanza grande per te?

Stelle del genere semplicemente non esistono nell'universo di oggi. Se provi a stipare tutta quella roba in un volume abbastanza compatto da trasformarlo in una stella, interazioni e instabilità lo frammenteranno come tanti biscotti sbriciolati nelle tue mani, formando molte stelle normali invece di un singolo mostro. Questo è il motivo per cui pensiamo che le stelle con più di 100 masse solari siano, mentre possibile, oggi estremamente raro.

Ma l'era dell'Alba Cosmica era un'altra epoca. Per uno, non esistevano ancora elementi pesanti:le fucine nucleari non erano in funzione da abbastanza tempo da inquinare i corsi d'acqua interstellari. Le radiazioni di quegli elementi extra sono un ottimo modo per raffreddare una nuvola di gas e innescare la sua frammentazione in pezzi più piccoli. Secondo, il giovane cosmo è stato inondato di radiazioni ultraviolette ad alta energia dall'improvvisa nascita di altri, stelle più piccole. Questa radiazione rompe l'idrogeno molecolare, un altro percorso chiave per raffreddare e frammentare una gigantesca nube di gas.

Quindi, mentre di nuovo raro, le condizioni potrebbero essere state giuste alla fine dei secoli bui cosmici per formare stelle giganti e persino supergiganti:abbastanza materiale avrebbe potuto fluire in un volume abbastanza piccolo senza dividersi, dando vita a una grande stella.

Queste stelle giganti avrebbero avuto una vita breve e sarebbero collassate direttamente per formare grandi buchi neri, scorciatoia per la solita strada per fare quasar.

L'alba cosmica irrompe

Mi sembra un'ottima idea, ma nella scienza le grandi idee devono confrontarsi con le prove prima di poter iniziare a crederci. In questo caso, sarebbe molto utile avere una fotografia di una di queste stelle gigantesche prima che si trasformino in buchi neri e poi in quasar.

È difficile, anche se, perché l'età in cui queste stelle vissero e morirono è lontana da noi. E quelle stelle, pur essendo ancora gigante per standard stellari, erano molto molto piccoli, rendendoli ancora più difficili da individuare a queste distanze estreme.

Ma per una volta potremmo avere un colpo di fortuna. Recenti simulazioni di queste strane stelle rivelano che sono sorprendentemente belle, avendo una temperatura superficiale da qualche parte tra 6, 000-8000 Kelvin, donando alle loro superfici un intenso bagliore rosso. E per la loro incredibile mole, sono molto luminosi, esplode di luce con un'intensità di dieci miliardi di soli. Questa combinazione di pura luminosità e profondo rossore significa che sono potenzialmente visibili nelle lunghezze d'onda infrarosse per alcune missioni imminenti.

Missioni come il telescopio spaziale James Webb, uno strumento studiato appositamente per andare a caccia delle prime stelle. Se le stelle supergiganti esistessero in quelle epoche lontane, e se alcuni di loro hanno avuto la fortuna di sopravvivere nell'era in cui i loro fratelli hanno già iniziato a trasformarsi in mostri buchi neri, mettendole un po' più in vista, c'è la possibilità che possiamo scattare direttamente la loro foto.

Che spettacolo sarebbe.