Gli scienziati hanno scoperto il segreto della nascita dei più antichi buchi neri dell’universo

Ci vuole molto tempo prima che un buco nero supermassiccio cresca, anche se mangia voracemente. Quindi, come i buchi neri supermassicci, miliardi di volte più pesanti del sole, si siano formati durante i primi miliardi di vita dell’universo è sempre stato un mistero.

Ma il nuovo lavoro di un team internazionale di cosmologi suggerisce una risposta: flussi di materia fredda, formati da misteriosa materia oscura, alimentano i buchi neri con una forza nata dalla morte di protostelle giganti.

“Esiste una ricetta per creare un buco nero di 100.000 massa solare alla nascita, una stella primordiale di 100.000 massa solare”, ha affermato Daniel Wallen, cosmologo dell’Università di Portsmouth. indipendente. “Nell’universo di oggi, gli unici buchi neri che abbiamo scoperto, sono tutti formati dal collasso di stelle massicce. Ciò significa che la massa minima di un buco nero deve essere di almeno tre o quattro masse solari”.

Ma la baia è enorme tra una stella di massa 4 masse solari e una stella di massa 100.000 masse solari, una stella “gigante” che, se centrata attorno al sole, si estenderebbe nell’orbita di Plutone. Il dottor Wallen ha affermato che negli ultimi 20 anni, gran parte della ricerca sui quasar nell’universo primordiale – centri di galassie molto luminose alimentate da buchi neri supermassicci – si è concentrata sull’insieme finemente sintonizzato di condizioni che consentirebbero la formazione di tali una massiccia stella primordiale.

Ma in nuova carta Pubblicato sulla rivista temperare la naturaWallen e colleghi hanno utilizzato la modellazione supercomputerizzata dell’evoluzione cosmica per dimostrare che, anziché evolversi da un insieme molto speciale di condizioni, protostelle estremamente giganti si formano e collassano in “semi” di quasar in modo del tutto naturale da un insieme di condizioni primordiali che, sebbene ancora rare, relativamente parlando , è molto meno sensibile. E tutto inizia con la materia oscura.

“Se osservi il contenuto totale, chiamiamolo contenuto energetico di massa totale dell’universo, il 3 percento sotto forma di materia che comprendiamo” – una sostanza composta da protoni, neutroni, elettroni, idrogeno, elio e così via , ha detto il dottor Wallen. Ma “il 24 percento è sotto forma di materia oscura e sappiamo che è lì a causa del movimento delle galassie e degli ammassi di galassie, ma non sappiamo cosa sia”.

Ciò significa che la materia oscura interagisce con la materia ordinaria solo attraverso la gravità, ed è la gravità della materia oscura che ha creato la struttura più grande dell’universo: la rete cosmica. Il dottor Wallen ha detto che nell’universo primordiale vaste fasce di materia oscura collassavano in lunghi filamenti sotto il loro stesso peso, trascinando con sé la materia normale, formando una rete di filamenti e le loro giunzioni.

Galassie e stelle alla fine si formano all’interno dei filamenti e, in particolare, le intersezioni ricche di materia dei filamenti.

“Li chiamiamo aloni, aloni cosmici e pensiamo che le stelle primordiali si siano formate lì per prime”, ha detto il dottor Wallen delle intersezioni.

Il pensiero precedente pensava che per formare una stella primordiale abbastanza grande da dare vita a un buco nero supermassiccio e creare un quasar durante i primi miliardi di anni dell’universo, la corona avrebbe dovuto crescere fino a dimensioni gigantesche in condizioni speciali: nessun’altra stella così vicina , formando idrogeno molecolare per mantenere il gas cooler, flusso di gas supersonico per mantenere la corona turbolenta. Finché l’aura era abbastanza fredda e turbolenta, non poteva tenersi abbastanza insieme per accendersi come una stella, prolungando la sua fase di crescita fino a quando non nacque finalmente di dimensioni gigantesche.

Una volta che una stella massiccia si accende, vive la sua vita, brucia e collassa in un buco nero, ha detto il dottor Wallen, deve avere accesso a grandi quantità di gas per crescere in modo esponenziale, “perché il modo in cui un buco nero cresce è quello di ingoiare gas.”

Ma piuttosto che richiedere condizioni finemente sintonizzate per la formazione di una stella supermassiccia e alla fine di un buco nero supermassiccio, le simulazioni del Dr. Wallen e dei colleghi suggeriscono che il flusso di gas freddo in un alone di filamenti di materia oscura che definisce la ragnatela cosmica potrebbe sostituire il abbondanza. Un fattore necessario per la formazione delle stelle primordiali nei modelli antichi.

“Se i flussi di accrescimento freddo stanno alimentando la crescita di questi aloni, devono bombardarli”, ha detto il dottor Wallen, colpendoli con così tanto gas così rapidamente che la turbolenza potrebbe impedire ai gas di collassare e formare una stella primordiale. “

Quando hanno simulato una tale corona alimentata da flussi di accrescimento freddo, i ricercatori hanno visto la formazione di due enormi stelle primordiali, una delle dimensioni di 31.000 soli e l’altra delle dimensioni di 40.000 soli. Semi di buco nero supermassicci.

“È stato meravigliosamente semplice. Il problema di 20 anni è passato dall’oggi al domani”, ha detto il dottor Wallen. Ogni volta che hai flussi freddi che pompano gas in un alone nella rete cosmica, “avrai molta turbolenza e tu avrà una massiccia formazione stellare e una massiccia formazione di semi che produrranno un gigantesco seme di quasar”.

Ha aggiunto che si tratta di una scoperta che corrisponde al numero di quasar osservati finora nell’universo primordiale, notando che i grandi aloni in quell’era primitiva sono rari, così come i quasar.

Ma il nuovo lavoro è una simulazione e gli scienziati vogliono quindi monitorare effettivamente la formazione del primo universo dei quasar in natura. Nuovi strumenti, come il James Webb Space Telescope, potrebbero renderlo realtà in tempi relativamente brevi.

“Webb sarebbe forte per vederne uno”, ha detto il dottor Wallen, e probabilmente ha assistito alla nascita dei buchi neri entro un milione o due milioni di anni dal Big Bang.