Sono miliardi di volte più grandi del nostro Sole:come è possibile che, come recentemente osservato, i buchi neri supermassicci erano già presenti quando l'Universo, ora ha 14 miliardi di anni, aveva "solo" 800 milioni di anni? Per gli astrofisici, la formazione di questi mostri cosmici in così poco tempo è un vero rompicapo scientifico, che solleva importanti interrogativi sulle attuali conoscenze dello sviluppo di questi corpi celesti.

Un recente articolo pubblicato su Il Giornale Astrofisico , dal Dottorato SISSA studente Lumen Boco e il suo supervisore Andrea Lapi, offre una possibile spiegazione alla spinosa questione. Grazie ad un originale modello teorizzato dagli scienziati triestini, lo studio propone un processo di formazione molto veloce nelle fasi iniziali dello sviluppo di buchi neri supermassicci, quelli fino ad ora considerati più lenti. Dimostrazione, matematicamente, che la loro esistenza era possibile nel giovane Universo, i risultati della ricerca conciliano i tempi necessari per la loro crescita con i limiti imposti dall'età del Cosmo. La teoria può essere pienamente convalidata grazie ai futuri rivelatori di onde gravitazionali, vale a dire l'Einstein Telescope e LISA, ma testato in diversi aspetti fondamentali anche con l'attuale sistema Advanced LIGO/Virgo.

Il mostro cosmico che cresce al centro delle galassie

Gli scienziati hanno iniziato il loro studio con una prova osservativa ben nota:la crescita di buchi neri supermassicci si verifica nelle regioni centrali delle galassie, progenitori delle attuali galassie ellittiche, che aveva un contenuto di gas molto elevato e in cui la formazione stellare era estremamente intensa. "Le stelle più grandi vivono poco tempo e si evolvono molto rapidamente in buchi neri stellari, grande quanto diverse decine di masse solari; sono piccoli, ma molti si formano in queste galassie." Il denso gas che li circonda, spiegano Boco e Lapi, ha un effetto definitivo molto potente di attrito dinamico e li fa migrare molto velocemente al centro della galassia. La maggior parte dei numerosi buchi neri che raggiungono le regioni centrali si fondono, creando il seme del buco nero supermassiccio.

Boco e Lapi continuano:"Secondo le teorie classiche, un buco nero supermassiccio cresce al centro di una galassia catturando la materia circostante, principalmente gas, "crescendolo" su se stesso e infine divorandolo con un ritmo proporzionale alla sua massa. Per questa ragione, durante le prime fasi del suo sviluppo, quando la massa del buco nero è piccola, la crescita è molto lenta. Nella misura in cui, secondo i calcoli, per raggiungere la massa osservata, miliardi di volte quella del Sole, ci vorrebbe molto tempo, persino maggiore dell'età del giovane Universo." Il loro studio, però, ha mostrato che le cose potrebbero andare molto più velocemente di così.

La folle corsa dei buchi neri:cosa hanno scoperto gli scienziati

"I nostri calcoli numerici mostrano che il processo di migrazione dinamica e fusione dei buchi neri stellari può far sì che il seme del buco nero supermassiccio raggiunga una massa compresa tra 10, 000 e 100, 000 volte quella del Sole in soli 50-100 milioni di anni." A questo punto, dicono i ricercatori, "la crescita del buco nero centrale secondo il suddetto accrescimento diretto di gas, previsto dalla teoria standard, diventerà molto veloce, perché la quantità di gas che riuscirà ad attirare e ad assorbire diventerà immensa, e predominante sul processo che proponiamo. Tuttavia, proprio il fatto di partire da un seme così grande come previsto dal nostro meccanismo accelera la crescita globale del buco nero supermassiccio e ne permette la formazione, anche nell'Universo Giovane. In breve, alla luce di questa teoria, possiamo affermare che 800 milioni di anni dopo il Big Bang, i buchi neri supermassicci potrebbero già popolare il Cosmo».

"Guardando" i semi del buco nero supermassiccio crescono

L'articolo, oltre ad illustrare il modello e dimostrarne l'efficacia, propone anche un metodo per testarlo:"La fusione di numerosi buchi neri stellari con il seme del buco nero supermassiccio al centro produrrà onde gravitazionali che ci aspettiamo di vedere e studiare con rivelatori attuali e futuri, " spiegano i ricercatori. In particolare, le onde gravitazionali emesse nelle fasi iniziali, quando il seme del buco nero centrale è ancora piccolo, sarà identificabile dagli attuali rivelatori come Advanced LIGO/Virgo e completamente caratterizzabile dal futuro Einstein Telescope. Le successive fasi di sviluppo del buco nero supermassiccio potrebbero essere indagate grazie al futuro rivelatore LISA, che sarà lanciato nello spazio intorno al 2034. In questo modo, spiegano Boco e Lapi, "il processo che proponiamo può essere validato nelle sue diverse fasi, in modo complementare, dai futuri rivelatori di onde gravitazionali."

"Questa ricerca" conclude Andrea Lapi, coordinatore del gruppo di Astrofisica e Cosmologia della SISSA, "mostra come gli studenti e i ricercatori del nostro gruppo si stanno avvicinando a pieno alla nuova frontiera delle onde gravitazionali e dell'astronomia multi-messaggero. In particolare, il nostro obiettivo principale sarà quello di sviluppare modelli teorici, come quella ideata in questo caso, che servono a capitalizzare le informazioni provenienti dagli esperimenti di onde gravitazionali attuali e future, fornendo così, si spera, soluzioni per problemi irrisolti legati all'astrofisica, cosmologia e fisica fondamentale".