I buchi neri non solo esistevano all'alba dei tempi, ma hanno anche dato vita a nuove stelle e potenziato la formazione di galassie, come suggerisce una nuova analisi dei dati del telescopio spaziale James Webb.
Le intuizioni capovolgono le teorie su come i buchi neri modellano il cosmo, sfidando la comprensione classica secondo cui si formarono dopo l’emergere delle prime stelle e galassie. Invece, i buchi neri potrebbero aver accelerato notevolmente la nascita di nuove stelle durante i primi 50 milioni di anni dell'universo, un periodo fugace nella sua storia di 13,8 miliardi di anni.
"Sappiamo che questi mostruosi buchi neri esistono al centro delle galassie vicino alla nostra Via Lattea, ma la grande sorpresa ora è che erano presenti anche all'inizio dell'universo ed erano quasi come mattoni o semi per le prime galassie", ha detto l'autore principale Joseph Silk, professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Johns Hopkins University e presso l'Istituto di Astrofisica, Parigi, Università della Sorbona. "Hanno davvero potenziato tutto, come giganteschi amplificatori della formazione stellare, il che rappresenta una svolta rispetto a ciò che pensavamo possibile prima, al punto che questo potrebbe sconvolgere completamente la nostra comprensione di come si formano le galassie."
Il lavoro è stato recentemente pubblicato su Astrophysical Journal Letters .
Le galassie distanti dell'universo primordiale, osservate attraverso il telescopio Webb, appaiono molto più luminose di quanto previsto dagli scienziati e rivelano un numero insolitamente elevato di stelle giovani e buchi neri supermassicci, ha detto Silk.
La saggezza convenzionale sostiene che i buchi neri si siano formati dopo il collasso delle stelle supermassicce e che le galassie si siano formate dopo che le prime stelle hanno illuminato l’oscuro universo primordiale. Ma l’analisi del team di Silk suggerisce che i buchi neri e le galassie hanno coesistito e si sono influenzati a vicenda nel corso dei primi 100 milioni di anni. Se l'intera storia dell'universo fosse un calendario di 12 mesi, quegli anni sarebbero come i primi giorni di gennaio, ha detto Silk.
"Stiamo sostenendo che il buco nero emette nubi di gas schiacciate, trasformandole in stelle e accelerando notevolmente il tasso di formazione stellare", ha detto Silk. "Altrimenti, è molto difficile capire da dove provengano queste galassie luminose perché in genere erano più piccole nell'universo primordiale. Perché mai dovrebbero creare stelle così rapidamente?"
I buchi neri sono regioni dello spazio dove la gravità è così forte che nulla può sfuggire alla loro attrazione, nemmeno la luce. A causa di questa forza, generano potenti campi magnetici che provocano violente tempeste, espellendo plasma turbolento e, in definitiva, agendo come enormi acceleratori di particelle, ha detto Silk. Questo processo, ha detto, è probabilmente il motivo per cui i rilevatori di Webb hanno individuato più buchi neri e galassie luminose di quanto gli scienziati avessero previsto.
"Non riusciamo a vedere questi venti violenti o getti molto, molto lontani, ma sappiamo che devono essere presenti perché vediamo molti buchi neri nelle prime fasi dell'universo", ha spiegato Silk. "Questi enormi venti provenienti dai buchi neri schiacciano le nubi di gas vicine e le trasformano in stelle. Questo è l'anello mancante che spiega perché queste prime galassie sono molto più luminose di quanto ci aspettassimo."
Il team di Silk prevede che l'universo giovane abbia avuto due fasi. Durante la prima fase, i deflussi ad alta velocità dai buchi neri hanno accelerato la formazione stellare, poi, in una seconda fase, i deflussi hanno rallentato. Alcune centinaia di milioni di anni dopo il big bang, le nubi di gas collassarono a causa delle tempeste magnetiche dei buchi neri supermassicci e nuove stelle nacquero a un ritmo di gran lunga superiore a quello osservato miliardi di anni dopo nelle galassie normali, ha detto Silk. La creazione di stelle è rallentata perché questi potenti deflussi sono passati a uno stato di conservazione dell'energia, ha detto, riducendo il gas disponibile per formare stelle nelle galassie.
"Pensavamo che all'inizio le galassie si formassero quando una gigantesca nube di gas collassava", ha spiegato Silk. "La grande sorpresa è che c'era un seme nel mezzo di quella nuvola - un grande buco nero - e questo ha contribuito a trasformare rapidamente la parte interna di quella nuvola in stelle a una velocità molto maggiore di quanto ci saremmo mai aspettati. E così le prime galassie sono incredibilmente luminosi."
Il team si aspetta che le future osservazioni del telescopio Webb, con conteggi più precisi di stelle e buchi neri supermassicci nell’universo primordiale, aiuteranno a confermare i loro calcoli. Silk prevede che queste osservazioni aiuteranno anche gli scienziati a mettere insieme più indizi sull'evoluzione dell'universo.
"La grande domanda è:quali sono stati i nostri inizi? Il sole è una stella su 100 miliardi nella galassia della Via Lattea, e c'è anche un enorme buco nero nel mezzo. Qual è la connessione tra i due?" Egli ha detto. "Entro un anno avremo dati molto migliori e molte delle nostre domande inizieranno a ricevere risposte."
Gli autori includono Colin Norman e Rosemary F. G. Wyse della Johns Hopkins; Mitchell C. Begelman dell'Università del Colorado e del National Institute of Standards and Technology; e Adi Nusser dell'Istituto Israeliano di Tecnologia.
Ulteriori informazioni: Joseph Silk et al, Chi è venuto prima:buchi neri o galassie supermassicci? Approfondimenti da JWST, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad1bf0
Informazioni sul giornale: Lettere del diario astrofisico
Fornito dalla Johns Hopkins University
