Istantanee delle simulazioni che mostrano la distribuzione della materia nell'Universo al momento della formazione del buco nero (in alto) e la distribuzione della densità delle nubi di gas che producono i buchi neri (in basso). Nel pannello inferiore, i punti neri vicino al centro della figura rappresentano stelle massicce, che si pensa si evolvano in un buco nero nel tempo. I puntini bianchi rappresentano stelle che sono più piccole di 10 massa solare e sono state formate dalla frammentazione della nube di gas. Molte delle stelle più piccole si fondono con le stelle supermassicce al centro, permettendo alle stelle massicce di crescere in modo efficiente. Credito:Sunmyon Chon
Simulazioni al computer condotte da astrofisici presso l'Università di Tohoku in Giappone, hanno rivelato una nuova teoria sull'origine dei buchi neri supermassicci. In questa teoria, i precursori dei buchi neri supermassicci crescono inghiottendo non solo il gas interstellare, ma anche stelle più piccole. Questo aiuta a spiegare il gran numero di buchi neri supermassicci osservati oggi.
Quasi tutte le galassie dell'Universo moderno hanno al centro un buco nero supermassiccio. Le loro masse a volte possono raggiungere fino a 10 miliardi di volte la massa del Sole. Però, la loro origine è ancora uno dei grandi misteri dell'astronomia. Una teoria popolare è il modello di collasso diretto in cui le nubi primordiali di gas interstellare collassano sotto l'autogravità per formare stelle supermassicce che poi si evolvono in buchi neri supermassicci. Ma studi precedenti hanno dimostrato che il collasso diretto funziona solo con gas incontaminato costituito solo da idrogeno ed elio. Gli elementi più pesanti come il carbonio e l'ossigeno modificano la dinamica del gas, provocando la frammentazione del gas in collasso in molte nuvole più piccole che formano piccole stelle proprie, piuttosto che poche stelle supermassicce. Il collasso diretto del solo gas incontaminato non può spiegare il gran numero di buchi neri supermassicci osservati oggi.
Sunmyon Chon, un borsista post-dottorato presso la Japan Society for the Promotion of Science e la Tohoku University e il suo team hanno utilizzato il supercomputer "ATERUI II" dell'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone per eseguire simulazioni 3D ad alta risoluzione a lungo termine per testare la possibilità che le stelle supermassicce possano forma anche in gas arricchito di elementi pesanti. La formazione stellare nelle nubi di gas, compresi gli elementi pesanti, è stata difficile da simulare a causa del costo computazionale della simulazione della violenta scissione del gas, ma progressi nella potenza di calcolo, in particolare l'elevata velocità di calcolo di "ATERUI II" commissionato nel 2018, ha permesso alla squadra di vincere questa sfida. Queste nuove simulazioni consentono di studiare in modo più dettagliato la formazione delle stelle dalle nubi di gas.
Rappresentazione artistica della formazione di stelle supermassicce che si evolvono in un buco nero supermassiccio. Attestazione:NAOJ
Contrariamente alle previsioni precedenti, il team di ricerca ha scoperto che le stelle supermassicce possono ancora formarsi da nubi di gas arricchite di elementi pesanti. Come previsto, la nube di gas si rompe violentemente e si formano molte stelle più piccole. Però, c'è un forte flusso di gas verso il centro della nuvola; le stelle più piccole vengono trascinate da questo flusso e inghiottite dalle stelle massicce al centro. Le simulazioni hanno portato alla formazione di una stella massiccia 10, 000 volte più massiccio del Sole. "Questa è la prima volta che abbiamo mostrato la formazione di un precursore di un buco nero così grande in nuvole arricchite di elementi pesanti. Crediamo che la stella gigante così formata continuerà a crescere ed evolversi in un gigantesco buco nero, "dice Chon.
Questo nuovo modello mostra che non solo il gas primordiale, ma anche gas contenenti elementi pesanti possono formare stelle giganti, che sono i semi dei buchi neri. "Il nostro nuovo modello è in grado di spiegare l'origine di più buchi neri rispetto agli studi precedenti, e questo risultato porta a una comprensione unificata dell'origine dei buchi neri supermassicci, "dice Kazuyuki Omukai, un professore all'Università di Tohoku.
