Fuli neri supermassichi: caratteristiche e formazione

Solo una manciata di buchi neri supermassicci è stata confermata dagli scienziati, ma l'universo potrebbe essere riempito con miliardi di questi giganti gravitazionali.

Teoricamente, se si comprime una quantità sufficiente di materia in una ragnatela sufficientemente piccola, si creerà un campo gravitazionale così potente che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire da esso. Questa è l'idea alla base dei buchi neri , ed è così bizzarra che per molti anni le persone hanno pensato che non potessero esistere nella realtà, secondo l' Università del Texas ad Austin (si apre in una nuova scheda).

Eppure oggi sappiamo che l'universo ne è pieno, forse una ogni dieci stelle visibili, secondo Live Science (si apre in una nuova scheda). Alcuni di quei buchi neri sono davvero enormi, con masse milioni di volte maggiori del sole. Qui diamo uno sguardo più da vicino allo strano mondo dei buchi neri supermassicci.

Quanto sono grandi i buchi neri supermassicci?

È impossibile osservare direttamente un buco nero, perché come suggerisce il nome non emettono luce o altre radiazioni. Ma possono essere rilevati tramite il loro effetto gravitazionale sulle stelle visibili nelle loro vicinanze, che orbitano attorno al buco nero molto più velocemente di quanto farebbero attorno a un normale oggetto di dimensioni simili.

Misurando la velocità delle stelle vicine al buco nero, gli astronomi possono stimarne la massa. È così che sanno, ad esempio, che il buco nero al centro della nostra galassia ha una massa circa quattro milioni di volte quella del sole, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda).

Per quanto grande possa sembrare, è davvero piuttosto piccolo rispetto ai più grandi buchi neri supermassicci che sono stati misurati, alcuni dei quali si avvicinano a 100 miliardi di masse solari (si apre in una nuova scheda),

Esempi di buchi neri supermassicci

Immagine 1 di 4 (Credito immagine: Scott Anttila/CC BY 3.0 ) Immagine 1 di 4

Galassia nana Leone I

Sebbene questa minuscola galassia abbia in totale solo circa 20 milioni di masse solari, il suo buco nero centrale è proporzionalmente enorme, con circa 3 milioni di masse solari.

(Credito immagine: ESO/WFI (ottica); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submillimetro); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (raggi X)) Immagine 1 di 4

Centauro A

Questa enorme galassia ellittica – un vicino cosmico a soli 13 milioni di anni luce – è un potente emettitore radio grazie al buco nero di 55 milioni di massa solare al suo centro.

(Credito immagine: team ESO/VST ATLAS. Riconoscimento- Università di Durham/CASU/WFAU) Immagine 1 di 4

NGC 7727

Prodotto di due galassie che si uniscono, NGC 7727 conserva ancora due buchi neri supermassicci separati – di 154 e 6,3 milioni di masse solari – a soli 1.600 anni luce di distanza vicino al suo centro.

(Credito immagine: NASA; ESA; M. Postman, STScI; T. Lauer, NOAO, Tucson; team CLASH) Immagine 1 di 4

Abell 2261

Si stima che questo ammasso di galassie abbia un buco nero fino a 100 miliardi di masse solari vicino al suo centro. Frustrante, la sua posizione esatta continua a sfuggire al rilevamento.

Buchi neri al centro delle galassie

Invece di divorare qualsiasi cosa si avventuri troppo vicino a loro, i buchi neri al centro della maggior parte delle galassie rivelano la loro esistenza solo attraverso sottili effetti sulle stelle vicine. In una galassia attiva, tuttavia, il buco nero supermassiccio si comporta in modo molto diverso.

Quando è circondata da un vorticoso "disco di accrescimento" di gas e polvere in rapida rotazione, la materia scende costantemente a spirale nel buco nero. Nel processo, rilascia enormi quantità di energia, a volte eclissando persino il resto della galassia.

Nel 2019 l' Event Horizon Telescope è riuscito a fotografare una di queste galassie Messier 87 producendo un'immagine diretta del disco di accrescimento. L'ombra minacciosa del buco nero di massa solare di 6,5 miliardi di galassie è chiaramente visibile, letteralmente come un "buco nero" al centro del disco.

Come si formano i buchi neri supermassicci

I film spesso ritraggono i buchi neri come giganteschi aspirapolvere cosmici, che risucchiano incessantemente altro materiale finché non rimane più nulla. Se era così che funzionavano i veri buchi neri, non ci sarebbe alcun mistero sulla provenienza del tipo supermassiccio: una volta che un buco nero "ordinario" si fosse formato dal collasso stellare, sarebbe semplicemente cresciuto e cresciuto fino a raggiungere dimensioni enormi. Ma i veri buchi neri non risucchiano la materia in questo modo; lo attraggono semplicemente con la stessa legge di gravità di un oggetto normale della stessa massa.

La loro eccezionalità deriva dal fatto che sono supercondensati e la forza di gravità aumenta al diminuire della distanza. Quindi è possibile che un oggetto orbitante si allontani in una regione in cui la gravità diventa incredibilmente forte. A distanze maggiori, invece, la gravità di un buco nero è perfettamente normale. Ma se un buco nero è incapace di risucchiare materia distante, come può mai crescere fino a raggiungere dimensioni supermassicce? Al momento nessuno conosce la risposta a questo, anche se ci sono diverse teorie promettenti.

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Anche se potrebbero non essere i rapaci predatori ritratti nella fantascienza, sappiamo che alcuni buchi neri assorbono nuovo materiale e questo è ciò che sta succedendo nei dischi di accrescimento delle galassie attive, per esempio. Occasionalmente coppie di buchi neri si scontrano e si fondono per produrre un unico buco nero più grande e lo sappiamo dall'evidenza delle onde gravitazionali, che sono state osservate regolarmente da quando sono state scoperte per la prima volta nel 2015.

Ma l'accrescimento e le fusioni, sebbene indubbiamente parte della soluzione, non sono di per sé sufficienti a spiegare l'evidenza osservativa per i buchi neri supermassicci. Questo perché sappiamo che le prime galassie attive che devono essere state alimentate da buchi neri centrali si sono formate molto presto nella vita dell'universo. Ad esempio, si ritiene che un buco nero supermassiccio di un miliardo di masse solari sia esistito in una galassia più di 12 miliardi di anni fa, circa il 90% del ritorno al Big Bang .

È possibile che il ciclo di vita stellare, così cruciale per il modello standard di formazione dei buchi neri, non abbia nulla a che fare con la creazione dei più antichi buchi neri supermassicci. Invece, potrebbero essersi formati quasi immediatamente dal collasso gravitazionale di un'enorme nuvola di gas che conteneva già tanta materia quanto milioni di stelle. Secondo questa teoria, un "buco nero a collasso diretto" di questo tipo avrebbe impiegato circa 150 milioni di anni per formare un battito di ciglia in termini cosmici.

Un'altra ipotesi invoca l'idea dei buchi neri primordiali, che si teorizza siano stati creati nel Big Bang stesso. Questi sono talvolta proposti come una possibile spiegazione della materia oscura e generalmente si presume che fossero di dimensioni piuttosto ridotte. Tuttavia, potrebbero essere serviti come semi di base da cui sono cresciuti gli odierni buchi neri supermassicci.

Risorse addizionali

Per ulteriori informazioni sui buchi neri, dai un'occhiata a " Death by Black Hole – and Other Cosmic Quandaries (opens in new tab)" di Neil deGrasse Tyson e " Gravity's Fatal Attraction: Black Holes in the Universe (opens in new tab)" di Mitchell Begelman e Martin Rees.

Bibliografia

Patchen Barss, " Le misteriose origini dei più grandi buchi neri dell'Universo (si apre in una nuova scheda)", BBC, agosto 2021.

Università del Texas ad Austin, " Storia dei buchi neri (si apre in una nuova scheda)", accesso a gennaio 2022.

Stephen Batttersby, " Monster munch: How ha fatto i buchi neri a diventare vasti così velocemente? (si apre in una nuova scheda) ", New Scientist, marzo 2013.

Alison Klesman, " Cosa sono i buchi neri primordiali? (si apre in una nuova scheda)", Astronomia, luglio 2019.

ESA, " Cosa succede quando due buchi neri supermassicci si fondono? (si apre in una nuova scheda)", maggio 2019.

NASA, " Exploring Active Galactic Nuclei (opens in new tab)", febbraio 2016.

Shobha Kaicker, " Come fanno gli astronomi a calcolare la massa di un buco nero? (si apre in una nuova scheda)", Astronomia, aprile 2020.

NASA, " Black Holes (opens in new tab)", marzo 2022.

NASA, " Active Galaxies (opens in new tab)", settembre 2021.

NASA, " Stelle (si apre in una nuova scheda)", settembre 2021.

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