Via Lattea shock, scoperto un secondo buco nero gigante di massa intermedia

Una turbolenta nube di gas a 200 anni luce dal centro della nostra galassia suggerisce la presenza di un buco nero con una massa di centomila soli. È il primo di questo genere ed è vicino al mostruoso Sagittarius A, un buco nero supermassiccio con una massa stimata di 4 milioni di soli.

Un gruppo di astronomi della Keio University a Yokohama in Giappone pare abbia scoperto la presenza di un buco nero di massa intermedia nelle immediate vicinanze del centro della Via Lattea. Questa scoperta molto interessante potrebbe aiutare a comprendere i meccanismi che portano alla nascita dei buchi neri supermassicci che si trovano al centro delle galassie.

I ricercatori hanno potuto effettuare la scoperta dei buchi neri di medie dimensioni grazie all’utilizzo del telescopio Alma in Cile, il quale ha potuto far notare anche le dimensioni pare siano centomila volte più grandi del sole. Ad oggi questo buco nero non è stato ancora battezzato ed è stato denominato CO-040-022.Al giorno d’oggi è stata commentata l’esistenza i piccoli buchi neri con una massa compresa tra 3 e 30 volte quella del Sole ed i buchi neri supermassicci che si trovano al centro delle galassie e possono raggiungere anche decine di miliardi di masse solari.

L’origine dei piccoli buchi neri è come risaputo piuttosto nota e pare derivino dal collasso gravitazionale di stelle massicce, mentre l’origine dei buchi neri supermassicci non è ancora molto chiara e per spiegarla si può fare riferimento a due teorie. Secondo la prima i buchi neri supermassicci hanno origine direttamente dalla condensazione e collasso dell’enorme mole di gas e polveri primordiali, mentre secondo quanto ipotizzato dalla seconda teoria questi buchi neri non sono altro che il prodotto di un progressivo accrescimento di buchi neri di dimensioni minori che avrebbero già inglobato gas e polveri Galattiche stelle e altri buchi neri.

Lo studio in questione, o meglio l’interessantissima scoperta fornisce delle preziose informazioni agli esperti sulla nascita e sulle evoluzione dei puntini e nello specifico secondo Tomoharu Oka, quelli di maggiori dimensioni potrebbero essere diventati grandi proprio divorando quelli più piccoli o intermedi. Il team giapponese è adesso intenzionato a proseguire il suo lavoro con le osservazioni dal radiotelescopio di 45 m Nobeyama e ad una rete di 66 dispositivi dell’Atacama Large Millimeter Array, una radio interferometry situato a circa 5000 metri di altitudine nel deserto di Atacama in Cile.

Riguardo l’origine di questo buco nero scoperto e nello specifico per spiegare quella nube di gas squarciata da un lato all’altro a velocità che varia tra i 20 ec i 120 km al secondo, pare ci siano esplosioni o altri cataclismi cosmici che avrebbero spinto la materia a velocità costanti e visto che al centro della nube in movimento non si vede proprio nulla e che altre soluzioni sono impossibili, secondo i ricercatori in questione che hanno pubblicato il loro studio su nature Astronomy, CO-0.40-0.22 è con ogni probabilità una nube di gas che emette raggi X associata a un buco nero da 100000 masse solari.

Più di un miliardo di anni fa due buchi neri in una regione remota dell’universo si avvicinarono a spirale l’uno all’altro in una danza mortale, fino a fondersi. Questa collisione fu così violenta che scosse il tessuto dello spazio-tempo, emanando tutt’attorno perturbazioni – le onde gravitazionali – che attraversarono il cosmo alla velocità della luce. Nel settembre 2015, dopo aver percorso più di un miliardo di anni luce, queste onde hanno investito il nostro pianeta, venendo registrate come un «cinguettio» dai sensori dell’Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

È stata la prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali, e questa osservazione ha confermato la previsione fatta da Albert Einstein un secolo fa, riguardo alla loro esistenza. Il cinguettio però ha rivelato che ognuno dei buchi neri progenitori della fusione era 30 volte più pesante del Sole. Cioè, le loro masse erano due o tre volte più grandi dei buchi neri ordinari nati dall’esplosione di stelle massicce che diventano supernove. Questi buchi neri erano assai pesanti, è difficile capire come possano essersi formati da una stella.

Inoltre, anche se due buchi neri del genere si fossero formati indipendentemente dalla morte di stelle con massa enorme, poi si sarebbero dovuti trovare e unire, un evento con una probabilità estremamente bassa di verificarsi entro l’età attuale dell’universo. È quindi ragionevole sospettare che questi buchi neri massicci si fossero formati attraverso un altro processo più esotico, in cui potrebbero non avere alcun ruolo le stelle. Oltre alla rilevazione delle onde gravitazionali, è possibile che LIGO abbia svelato qualcosa di ancora più straordinario: buchi neri che precedono la formazione delle stelle stesse.

Sebbene simili buchi neri «primordiali» non siano mai stati osservati, alcuni modelli teorici suggeriscono che se ne possano essere formati in quantità enorme a partire dal plasma caldo e denso che riempiva il cosmo meno di un secondo dopo il big bang. Allora Questa popolazione nascosta potrebbe risolvere diversi dei misteri più rilevanti della cosmologia moderna. In particolare, i buchi neri primordiali potrebbero costituire una parte della materia oscura (se non tutta), l’invisibile 85 per cento della materia dell’universo che fa da colla gravitazionale per tenere insieme le galassie e gli ammassi di galassie. Ulteriori ricerche con LIGO e altri strumenti metteranno presto alla prova queste idee, con la possibilità di scatenare una nuova rivoluzione nella nostra comprensione del cosmo.

In partenza i buchi neri sembrerebbero candidati ideali per la materia oscura, perché non emettono luce. Infatti, insieme ad altri oggetti oscuri come i pianeti e le nane brune, costituiscono una soluzione proposta da tempo per il problema della materia oscura: i MACHO, abbreviazione di «MAssive Compact Halo Object» («oggetto compatto massiccio di alone»). Presenti sia negli aloni sferici che circondano le galassie sia nei pressi del centro luminoso di ogni galassia, i MACHO generebbero l’attrazione gravitazionale responsabile dei moti altrimenti anomali delle stelle e del gas che gli astronomi osservano nelle periferie delle galassie. In poche parole, le galassie sembrano ruotare troppo in fretta per essere tenute insieme dalla massa visibile delle stelle che osserviamo. La materia oscura fornisce l’attrazione aggiuntiva che serve per impedire alle galassie rotanti di scagliar via le loro stelle.

Se i MACHO compongono la maggior parte della materia oscura dell’universo, servono anche per spiegare altre osservazioni. Qualunque cosa sia la materia oscura, dà forma alle più grandi strutture dell’universo, determinando origine e crescita delle galassie, degli ammassi e dei superammassi di galassie. Questi oggetti si formano a partire dal collasso gravitazionale di nubi di gas all’interno degli aloni di materia oscura. I cosmologi hanno mappato in modo preciso la distribuzione spaziale di queste nubi attraverso ampie e profonde ricognizioni delle galassie e le hanno correlate con le minuscole fluttuazioni di temperatura nel fondo cosmico a microonde (CMB), il bagliore residuo del big bang. Inoltre la massa diffusa della materia oscura nelle grandi galassie e negli ammassi deforma lo spazio, distorcendo la luce proveniente da oggetti lontani, un fenomeno noto come «lente gravitazionale».

L’ipotesi MACHO ha però perso consensi una decina d’anni fa, quando i MACHO non sono apparsi nei tentativi indiretti effettuati per cercarli. Gli astronomi li cercavano soprattutto attraverso il «microlensing», una variante del concetto di lente gravitazionale in cui un buco nero, una nana bruna o addirittura un pianeta passano davanti a una stella sullo sfondo e temporaneamente ne amplificano la luce. Varie indagini pluriennali mediante microlen- sing di milioni di stelle nella Grande e nella Piccola Nube di Magellano, le principali galassie satellite della Via Lattea, non hanno trovato alcuna prova che i MACHO formino la totalità del nostro alone galattico. Questi risultati sono stati abbastanza definitivi da permettere di escludere che MACHO fino a circa dieci masse solari siano il costituente primario della materia oscura. Mentre si effettuavano queste indagini, i teorici mettevano a punto un’ipotesi alternativa: le WIMP, cioè le «Weakly Interacting Massive Particles» («particene massive debolmente interagenti»).

Le WIMP sono previste da alcune estensioni del modello standard della fisica delle particelle, ma finora sono elusive quanto i MACHO. Fino a oggi – nonostante decenni di ricerche con acceleratori di partrcelle, rivelatori sotterranei e telescopi spaziali – non è stata trovata prova della loro esistenza. Via via che nella ricerca delle WIMP si accumulavano risultati negativi, alcuni ricercatori hanno iniziato a considerare l’ipotesi MACHO, concentrandosi sui buchi neri primordiali. Ma quale processo avrebbe potuto seminare questi strani oggetti in tutto l’universo osservabile, e come possono essere sfuggiti alle ricerche per così tanto tempo?

Buchi neri dal big bang
I fisici Bernard Carr e Stephen Hawking proposero l’idea dei buchi neri primordiali negli anni settanta. Considerarono buchi neri di massa inferiore a quella di una montagna. Buchi neri così piccoli sarebbero già evaporati e scomparsi nel corso dei quasi 14 miliardi di anni di età del nostro universo, attraverso un processo quanto-meccanico scoperto da Hawking e chiamato radiazione di Hawking. Ma Carr e Hawking esaminarono anche la possibilità che buchi neri più massicci, e che non evaporano, potessero costituire la materia mancante in ammassi di galassie.
La possibilità che massicci buchi neri primordiali possano costituire la maggior parte della materia oscura o addirittura tutta è stata esaminata in seguito negli anni novanta, in base a un’idea nota come inflazione cosmica, proposta inizialmente dal fisico Alan Guth nei primi anni ottanta. L’inflazione è una fase ipotetica di espansione smodata, immediatamente successiva al big bang. In 10-35 secondi, due punti distanti meno di un raggio atomico si sarebbero allontanati di 4 anni luce, una distanza paragonabile a quella delle stelle più vicine a noi. Inoltre durante l’inflazione le minime fluttuazioni quantistiche sono ingrandite fino a scala macroscopica dalla rapida espansione, seminando l’universo in crescita con regioni in cui materia ed energia hanno una densità maggiore o minore della media, da cui emergono successivamente le strutture cosmiche. Per quanto bizzarra possa sembrare, la teoria dell’inflazione è sostenuta dall’osservazione di fluttuazioni di densità di questo tipo nella CMB.
Nel 1996 uno di noi (Garcia-Bellido), insieme ad Andrei Linde, della Stanford University, e a David Wands, dell’Università di Portsmouth, nel Regno Unito, ha scoperto un modo con cui l’inflazione può formare picchi netti nelle fluttuazioni dello spettro di densità nell’universo delle origini (si veda il box nella pagina di fronte). In altre parole, abbiamo mostrato come le fluttuazioni quantistiche enormemente ingrandite dall’inflazione genererebbero regioni assai dense che collasserebbero a formare una popolazione di buchi neri meno di un secondo dopo la fine dell’inflazione. Questi buchi neri si comporterebbero poi come materia oscura, e dominerebbero il contenuto di materia dell’universo attuale. Questo modello genera una popolazione di buchi neri tutti con la stessa massa, determinata dalla quantità di energia nella regione che collassò. Molti gruppi di ricerca hanno poi iniziato a esplorare queste idee in diversi modelli di inflazione.

Nel 2015 i due autori (Clesse e Garcia-Bellido) hanno proposto uno scenario simile a quello del 1996, in cui queste fluttuazioni primordiali mostrano un ampio picco nelle densità energetiche e nelle dimensioni spaziali, generando buchi neri primordiali con un’ampia gamma di masse. Una conseguenza fondamentale di questo scenario è che le grandi fluttuazioni di densità collassano in prossimità spaziale l’una all’altra, generando ammassi di buchi neri di masse diverse, da un centesimo a 10.000 volte la massa del nostro Sole.

Entro 500.000 anni dal big bang, ogni ammasso crescente e in evoluzione poteva contenere milioni di buchi neri primordiali in un volume di poche centinaia di anni luce.
Questi ammassi di buchi neri primordiali sarebbero densi a sufficienza per spiegare le misteriose fusioni di buchi neri di LIGO, che altrimenti non si verificherebbero con regolarità. Di tanto in tanto le traiettorie di due buchi neri primordiali all’interno di un ammasso possono incontrarsi, e così i due oggetti diventano gravitazionalmente legati l’uno all’altro. A quel punto si avvicinano a spirale nel corso anche di milioni di anni, irradiando onde gravitazionali fino a quando non si fondono.

Nel gennaio 2015 abbiamo effettivamente previsto che LIGO avrebbe rilevato onde gravitazionali da fusioni massicce di questo tipo, onde identiche a quelle rilevate da LIGO nel corso dello stesso anno. Le nostre stime per il tasso di eventi di fusione negli ammassi di buchi neri primordiali corrispondono perfettamente con i limiti posti da LIGO. Se nei prossimi anni LIGO e altre strutture simili rileveranno molte altre fusioni, sarà forse possibile determinare la gamma di masse e di rotazioni per tutti i buchi neri progenitori. Un’analisi statistica di questo tipo sulle fusioni di buchi neri fornirà informazioni cruciali per verificare le loro origini potenzialmente primordiali.

Un aspetto chiave di questo scenario è che elimina i vincoli sui MACHO imposti in precedenza dagli esperimenti con il microlen- sing gravitazionale, che escludevano, come costituente principale della materia oscura, buchi neri fino a dieci masse solari. Se i buchi neri primordiali esistono e hanno un’ampia varietà di masse, solo una piccola frazione sarebbe visibile con questi esperimenti di microlensing, mentre il grosso resterebbe invisibile. Inoltre, se i buchi neri primordiali sono raggruppati in ammassi, questa disposizione porta a una probabilità minore di 1/1000 che un ammasso si trovi proprio sulla visuale verso le stelle delle galassie satellite vicine che sono monitorate in cerca di eventi di microlensing. Per evitare questo effetto si potrebbero cercare eventi di microlensing
in altre parti del cielo, esaminando eventuali luci amplificate delle stelle della galassia di Andromeda, la «vicina» della Via Lattea, o addirittura di quasar in galassie distanti. Così si potrebbe sondare un volume molto più grande di aloni galattici in cerca di segni di MACHO, e cioè di buchi neri primordiali. Recenti osservazioni suggeriscono che mentre i MACHO entro le dieci masse solari potrebbero non costituire l’intero alone di una galassia media, quelli tra un decimo e poche masse solari potrebbero facilmente rappresentare circa il 20 per cento della massa di un tipico alone galattico. Questo valore è coerente con il nostro scenario di buchi neri primordiali con un’ampia gamma di masse.
In poche parole non possiamo ancora escludere la possibilità che la materia oscura sia costituita principalmente da buchi neri primordiali. Questo scenario potrebbe anzi decifrare altri misteri cosmici legati alla materia oscura e alla formazione delle galassie.

Molti problemi, una soluzione
Gli ammassi di buchi neri primordiali potrebbero chiarire il cosiddetto problema dei satelliti mancanti: l’apparente mancanza di galassie satellite «nane» che si dovrebbero formare attorno a galassie massicce come la nostra Via Lattea. Le simulazioni che danno modelli della distribuzione cosmica della materia oscura riproducono la struttura su larga scala dell’universo come viene osservata,in cui aloni di materia oscura attraggono gli ammassi di galassie fino a formare giganteschi filamenti e fogli che circondano grandi vuoti a bassa densità. Ma su scala più piccola queste simulazioni prevedono l’esistenza di numerosi aloni secondari di materia oscura in orbita attorno alle galassie maggiori. Ognuno di questi aloni secondari dovrebbe ospitare una galassia nana, e dovrebbero essercene centinaia a circondare la Via Lattea. Eppure gli astronomi hanno trovato molte meno galassie nane del previsto.
Ci sono molte possibili spiegazioni per il problema delle galassie satellite mancanti, fra cui primeggia l’idea che le simulazioni non considerino adeguatamente l’effetto della materia ordinaria (idrogeno ed elio delle stelle) su formazione e comportamento delle galassie nane previste. Il nostro scenario suggerisce che se i buchi neri primordiali ammassati costituirono la maggior parte della materia oscura, dominerebbero gli aloni secondari che circondano la Via Lattea, assorbendo parte della materia ordinaria e riducendo il tasso di formazione di stelle in questi aloni. Inoltre, anche se questi aloni secondari formarono grandi quantità di stelle, queste ultime potrebbero essere state espulse da incontri ravvicinati con massicci buchi neri primordiali. I due fenomeni ridurrebbero di molto la luminosità delle galassie satellite, rendendole difficili da individuare senza rivelatori a campo ampio e con sensibilità estrema. Per fortuna adesso ci sono rivelatori simili e gli astronomi li hanno già usati per scoprire decine di galassie nane fiochissime che circondano la Via Lattea. Questi oggetti sembrano contenere una quantità di materia oscura anche centinaia di volte maggiore rispetto alle stelle luminose, e il nostro modello prevede che ce ne possano essere altre migliaia in orbita attorno alla nostra galassia.
Le simulazioni prevedono anche una popolazione di galassie di dimensioni intermedie tra galassie nane e galassie più grandi. Si dice che questi oggetti siano «troppo grandi per fallire», perché sarebbero grandi a sufficienza per formare stelle ed essere visibili, eppure non sono apparsi nelle osservazioni dei dintorni della Via Lattea. Questo problema dei «troppo grandi per fallire» ha una soluzione simile a quella del problema delle galassie satellite mancanti: i buchi neri primordiali massicci nei nuclei delle galassie di dimensioni intermedie potrebbero espellere da questi oggetti stelle e gas, rendendoli invisibili alla maggior parte delle indagini.
I buchi neri primordiali potrebbero anche risolvere l’origine dei buchi neri supermassicci (SMBH). Questi mostri hanno fra milioni e miliardi di masse solari e si osservano al centro di quasar e galassie maggiori, fin dall’inizio della storia dell’universo. Tuttavia, se questi SMBH si formarono e crebbero a partire dal collasso gravitazionale delle prime stelle dell’universo, non avrebbero potuto acquisire masse così gigantesche in un tempo relativamente breve: meno di un miliardo di anni dopo il big bang.
Nel nostro scenario, sebbene la maggior parte dei buchi neri primordiali abbia appena decine di masse solari, una percentuale molto piccola sarà più pesante, e andrà dalle centinaia alle decine di migliaia di masse solari. Nati meno di un secondo dopo il big bang, questi oggetti avrebbero poi la funzione di semi giganti per la formazione di prime galassie e quasar, che avrebbero sviluppato al loro centro degli SMBH. Semi del genere potrebbero anche spiegare l’esistenza dei buchi neri di massa intermedia che hanno fra 1000 e un milione di masse solari, osservati in orbita attorno agli SMBH e al centro degli ammassi globulari di stelle. In breve, i buchi
neri primordiali possono essere il collegamento mancante tra buchi neri convenzionali, di massa analoga alle stelle, e SMBH. Si stanno accumulando osservazioni a favore di questo scenario: le recenti rilevazioni di sorgenti di raggi X inaspettatamente frequenti nel cosmo delle origini si spiegano con un gran numero di buchi neri primordiali che producono raggi X mentre si ingozzano di gas, meno di un miliardo di anni dopo il big bang.
Vedere al buio
Sebbene i grandi buchi neri primordiali possano risolvere il mistero della materia oscura e molti altri problemi di lunga data della cosmologia, la partita non è ancora finita. Sono ancora possibili altri modelli e spiegazioni, e le osservazioni future dovrebbero permetterci di scegliere tra le alternative. Proprio nei prossimi anni varie osservazioni potrebbero mettere alla prova lo scenario dei buchi neri primordiali (si veda il box nella pagina a fronte), tra cui la rilevazione di galassie nane fiochissime, l’influenza degli enormi buchi neri primordiali sulle posizioni delle stelle nella Via Lattea, la mappatura dell’idrogeno neutro durante la prima epoca di formazione delle stelle e lo studio delle distorsioni nel fondo cosmico a microonde.
Oltre a questi esperimenti abbiamo uno strumento nuovo per svelare i misteri del cosmo: Advanced LIGO e altri rivelatori di onde gravitazionali. LIGO ha rilevato la fusione di due elementi di una popolazione nascosta di grossi buchi neri primordiali; possiamo aspettarci che nei prossimmi anni se ne rileveranno molte altre. Nel giugno 2016 Advanced LIGO ha annunciato un secondo rilevamento di onde gravitazionali, emesse nella fusione di due buchi neri di 14 e 8 masse solari, e un possibile indizio di un’altra fusione di buchi neri di 23 e 13 masse solari. Mentre concludevamo l’articolo è stata annunciata la rilevazione di altri sei eventi di fusione. Queste osservazioni fanno ritenere che i buchi neri binari siano più frequenti del previsto e abbiano un’ampia distribuzione delle masse, in accordo con il nostro scenario di enormi buchi neri primordiali.
Questi nuovi esperimenti e osservazioni potrebbero confermare l’esistenza dei buchi neri primordiali e il loro possibile legame con la materia mancante dell’universo. Presto non saremo più all’oscuro sulla materia oscura.

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