I buchi neri nell'universo primordiale rappresentano un po' un problema. Sulla base delle osservazioni dei telescopi sulla Terra e nello spazio, sappiamo che alcuni buchi neri sono diventati un miliardo di volte la massa del sole appena un miliardo di anni dopo il Big Bang. I nostri attuali modelli di crescita del buco nero, però, non può spiegare questa velocità di crescita. Allora come sono nati questi buchi neri supermassicci?

Questo è un problema che affligge da tempo gli astronomi. La nostra attuale comprensione suggerisce che in questo lasso di tempo, solo i cosiddetti buchi neri di massa intermedia fino a 100, 000 volte la massa del nostro Sole avrebbe dovuto essere in grado di crescere. E mentre sono state proposte diverse teorie per questa rapida crescita precoce del buco nero, la risposta rimane sfuggente.

"Questo è ancora un grosso problema in astrofisica, " ha detto il dottor John Regan, un astrofisico della Dublin City University, Irlanda.

I buchi neri si formano dopo che una stella massiccia ha esaurito il carburante, a volte derivante da una supernova e altre volte senza una supernova, che è chiamato scenario di collasso diretto. Una volta che una stella non ha più carburante da bruciare, non può più sostenere la sua massa e crolla. Se la massa della stella fosse abbastanza grande, collasserà in un oggetto con un'immensa attrazione gravitazionale da cui nulla, nemmeno luce, può sfuggire:un buco nero.

Man mano che il buco nero attira gradualmente sempre più polvere e gas nelle vicinanze, può crescere di dimensioni, raggiungendo infine le proporzioni gigantesche di un buco nero supermassiccio, come il primo mai ripreso nell'aprile 2019. Gli scienziati stanno ora studiando se i buchi neri supermassicci potrebbero essersi formati da stelle supermassicce che sono collassate per formare grandi buchi neri "seme", dando loro un vantaggio nella loro crescita.

Il Dr. Regan ha coordinato un progetto chiamato SmartStars, che utilizzava uno dei supercomputer più potenti d'Irlanda, ICHEC, per modellare come le stelle supergiganti potrebbero fornire i semi per i buchi neri supermassicci. Il team voleva vedere se queste stelle potessero spiegare la rapida crescita dei buchi neri supermassicci, che vediamo oggi al centro di quasi tutte le galassie.

250, 000

Hanno scoperto che tali stelle potrebbero crescere fino a 250, 000 volte la massa del sole entro 200 milioni di anni dal Big Bang:un risultato allettante. Però, anche i supercomputer hanno i loro limiti. I ricercatori sono stati in grado di modellare il futuro di tali stelle solo per un milione di anni, ma la modellazione deve coprire 800 milioni di anni per vedere se queste stelle potrebbero davvero essere i semi di buchi neri supermassicci.

"È davvero un ottimo punto di partenza, " ha detto il dottor Regan. "Nel corso della prossima generazione di supercomputer saremo in grado di portare quelle simulazioni sempre più avanti."

Altre teorie su come questi buchi neri siano cresciuti così rapidamente sono che una piccola frazione di buchi neri è cresciuta a ritmi incredibili, o che buchi neri più piccoli si sono fusi insieme per crescere in un buco nero supermassiccio.

Dott. Muhammad Latif, un astrofisico presso l'Università degli Emirati Arabi Uniti ad Abu Dhabi, concorda con il Dr. Regan sul fatto che il modello stellare supermassiccio rimane la nostra migliore teoria al momento. Il Dr. Latif è stato il ricercatore principale per il progetto FIRSTBHs che, come SmartStars, ha studiato la plausibilità del modello stellare supermassiccio, utilizzando simulazioni su un supercomputer in Francia.

Il suo progetto, che è stato svolto presso il CNRS in Francia, ha mostrato che le stelle supermassicce potrebbero produrre buchi neri semi centinaia di migliaia di volte la massa del nostro sole. "Abbiamo scoperto che questo metodo è fondamentalmente fattibile, " ha detto il dottor Latif, spiegando che questi buchi neri seme iniziali sono abbastanza grandi da spiegare la crescita di buchi neri supermassicci di un miliardo di masse solari in un breve lasso di tempo.

Però, richiede che le condizioni nell'universo primordiale siano state giuste per la formazione di questi buchi neri. Sarebbero necessarie grandi quantità di materiale fatto di idrogeno ed elio per formare un numero sufficiente di buchi neri semi massicci per produrre buchi neri supermassicci, che sembra essere stato possibile.

Ma altri fattori inspiegabili significano che questa è ancora una domanda aperta. I buchi neri semi dovrebbero assorbire materia a una velocità di almeno 0,1 masse solari all'anno, Per esempio, e al momento non è chiaro se ciò sia possibile.

osservatori

Diversi osservatori ci stanno già permettendo di sondare i buchi neri nell'universo primordiale con grande dettaglio. Nell'ottobre 2019, gli astronomi hanno annunciato di aver utilizzato l'Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) in Cile per trovare uno spesso anello di polvere e gas attorno a un buco nero supermassiccio all'interno di una galassia lontana. Con due flussi di gas che ruotano in direzioni opposte, it's thought this ring could have fed the supermassive black hole with enough material to cause it to grow rapidly.

In precedenza, in August 2019, NASA's Chandra X-ray Observatory managed to spot a so-called 'cloaked' black hole growing rapidly when the universe was just 6% of its current age. A thick cloud of gas hides the black hole and its resulting quasar, a bright region of superheated material that surrounds it, but Chandra was able to spot it by seeing X-rays emerge from the cloud.

Però, future telescopes will likely be needed to study the rapid growth of supermassive black holes in even more detail. Per esempio, while we can predict the existence of seed black holes, we can't yet see them. NASA's upcoming James Webb Space Telescope (JWST), due to launch in 2021, may be capable of spotting some of the undiscovered seed black holes.

The European Space Agency's Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA), nel frattempo, set to launch in 2031, should give us an even better understanding of how supermassive black holes arise.

"People are quite hopeful that we will get a rather better picture with the ATHENA mission, " said Dr. Latif. And maybe soon, we'll finally know how these huge objects grew so big in such a short space of time.

"It's like going to kindergarten and finding a seven-feet tall baby, " added Dr. Latif.