Buchi neri supermassicci, o PMIH, sono buchi neri con masse che sono da diversi milioni a miliardi di volte la massa del nostro sole. La Via Lattea ospita un SMBH con massa alcuni milioni di volte la massa solare. Sorprendentemente, le osservazioni astrofisiche mostrano che gli SMBH esistevano già quando l'universo era molto giovane. Per esempio, un miliardo di buchi neri di massa solare vengono trovati quando l'universo aveva appena il 6% della sua età attuale, 13,7 miliardi di anni. Come hanno origine queste SMBH nell'universo primordiale?

Un team guidato da un fisico teorico dell'Università della California, lungo il fiume, ha fornito una spiegazione:un enorme buco nero seme che il collasso di un alone di materia oscura potrebbe produrre.

L'alone di materia oscura è l'alone di materia invisibile che circonda una galassia o un ammasso di galassie. Sebbene la materia oscura non sia mai stata rilevata nei laboratori, i fisici rimangono fiduciosi che questa materia misteriosa che costituisce l'85% della materia dell'universo esista. Se la materia visibile di una galassia non fosse incastonata in un alone di materia oscura, questa faccenda andrebbe in pezzi.

"I fisici sono perplessi sul perché le SMBH nell'universo primordiale, che si trovano nelle regioni centrali degli aloni di materia oscura, crescere così massicciamente in poco tempo, " ha detto Hai-Bo Yu, professore associato di fisica e astronomia alla UC Riverside, che ha condotto lo studio che appare in Lettere per riviste astrofisiche . "È come un bambino di 5 anni che pesa, dire, 200 libbre. Un bambino del genere ci stupirebbe tutti perché conosciamo il peso tipico di un neonato e quanto velocemente può crescere questo bambino. Quando si tratta di buchi neri, i fisici hanno aspettative generali sulla massa di un buco nero seme e sul suo tasso di crescita. La presenza di SMBH suggerisce che queste aspettative generali siano state violate, richiedono nuove conoscenze. Ed è emozionante".

Un buco nero seme è un buco nero nella sua fase iniziale, simile alla fase del bambino nella vita di un essere umano.

"Possiamo pensare a due ragioni, " Yu ha aggiunto. "Il seme - o 'baby' - buco nero è molto più massiccio o cresce molto più velocemente di quanto pensassimo, o entrambi. La domanda che sorge allora è quali sono i meccanismi fisici per produrre un buco nero di semi sufficientemente massiccio o raggiungere un tasso di crescita abbastanza veloce?"

"Ci vuole tempo perché i buchi neri diventino massicci accrescendo la materia circostante, " ha detto il co-autore Yi-Ming Zhong, ricercatore post-dottorato presso il Kavli Institute for Cosmological Physics dell'Università di Chicago. "Il nostro articolo mostra che se la materia oscura ha delle autointerazioni, il collasso graviotermico di un alone può portare a un buco nero di semi abbastanza massiccio. Il suo tasso di crescita sarebbe più coerente con le aspettative generali".

In astrofisica, un meccanismo popolare utilizzato per spiegare le SMBH è il collasso del gas incontaminato nelle protogalassie nell'universo primordiale.

"Questo meccanismo, però, non può produrre un buco nero del seme sufficientemente massiccio da ospitare SMBH appena osservati, a meno che il buco nero del seme non abbia registrato un tasso di crescita estremamente rapido, " Yu ha detto. "Il nostro lavoro fornisce una spiegazione alternativa:un alone di materia oscura che interagisce con se stesso sperimenta instabilità gravitermale e la sua regione centrale collassa in un buco nero seme".

La spiegazione che Yu e i suoi colleghi propongono funziona nel modo seguente:

Le particelle di materia oscura prima si raggruppano sotto l'influenza della gravità e formano un alone di materia oscura. Durante l'evoluzione dell'alone, operano due forze in competizione, gravità e pressione. Mentre la gravità attira le particelle di materia oscura verso l'interno, la pressione li spinge verso l'esterno. Se le particelle di materia oscura non hanno interazioni personali, poi, mentre la gravità li attira verso l'alone centrale, diventano più calde, questo è, si muovono più velocemente, la pressione aumenta efficacemente, e si riprendono. Però, nel caso della materia oscura auto-interagente, le autointerazioni della materia oscura possono trasportare il calore da quelle particelle "più calde" a quelle vicine più fredde. Ciò rende difficile il rimbalzo delle particelle di materia oscura.

Yu ha spiegato che l'alone centrale, che collasserebbe in un buco nero, ha momento angolare, nel senso che ruota. Le autointerazioni possono indurre viscosità, o "attrito, " che dissipa il momento angolare. Durante il processo di collasso, l'alone centrale, che ha una massa fissa, si restringe in raggio e rallenta in rotazione a causa della viscosità. Mentre l'evoluzione continua, l'alone centrale alla fine collassa in uno stato singolare:un buco nero seme. Questo seme può diventare più massiccio accrescendo la materia barionica circostante, o visibile, come gas e stelle.

"Il vantaggio del nostro scenario è che la massa del buco nero seme può essere elevata poiché è prodotta dal collasso di un alone di materia oscura, " Yu ha detto. "Così, può trasformarsi in un buco nero supermassiccio in un lasso di tempo relativamente breve".

Il nuovo lavoro è nuovo in quanto i ricercatori identificano l'importanza dei barioni, particelle atomiche e molecolari ordinarie, affinché questa idea funzioni.

"Primo, mostriamo la presenza di barioni, come gas e stelle, può accelerare significativamente l'inizio del collasso graviotermico di un alone e un buco nero seme potrebbe essere creato abbastanza presto, " disse Wei-Xiang Feng, Studente laureato di Yu e coautore del documento. "Secondo, mostriamo che le autointerazioni possono indurre una viscosità che dissipa il residuo di momento angolare dell'alone centrale. Terzo, sviluppiamo un metodo per esaminare la condizione per innescare l'instabilità relativistica generale dell'alone collassato, che garantisce la formazione di un buco nero seme se la condizione è soddisfatta".

Nell'ultimo decennio, Yu ha esplorato nuove previsioni delle autointerazioni della materia oscura e le loro conseguenze osservative. Il suo lavoro ha dimostrato che la materia oscura auto-interagente può fornire una buona spiegazione per il movimento osservato di stelle e gas nelle galassie.

"In molte galassie, stelle e gas dominano le loro regioni centrali, ", ha detto. "Così, viene spontaneo chiedersi come la presenza di questa materia barionica influenzi il processo di collasso. Dimostriamo che accelererà l'inizio del crollo. Questa caratteristica è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno per spiegare l'origine dei buchi neri supermassicci nell'universo primordiale. Le autointerazioni portano anche alla viscosità che può dissipare il momento angolare dell'alone centrale e aiutare ulteriormente il processo di collasso".

Il documento di ricerca è intitolato "Seminare buchi neri supermassicci con materia oscura auto-interagente:uno scenario unificato con barioni".