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Una meraviglia astronomica nascosta: in che modo il collasso diretto di un buco nero svela il mistero della formazione dei buchi neri supermassicci?
I buchi neri a collasso diretto (DCBH) sono un tipo di prototipo di buco nero di grande massa che si forma dal collasso diretto di grandi quantità di materia. Si ipotizza che questi buchi neri si siano formati nell'intervallo di redshift z=15–30, quando l'universo aveva un'età compresa tra 100 e 250 milioni di anni. A differenza dei progenitori dei buchi neri formati da stelle di prima generazione (chiamate anche stelle di tipo III), i semi dei buchi neri da collasso diretto si formano attraverso instabilità relativestiche generali dirette. Quando questi buchi neri si formano, hanno in genere una massa di circa 10^5 M☉.
Questo tipo di prototipo di buco nero è stato originariamente proposto per affrontare la sfida di osservare buchi neri supermassicci con redshift z~7, il che è stato confermato da numerose osservazioni.
Meccanismo di formazione
Si pensa che i buchi neri a collasso diretto (DCBH) siano i prototipi dei buchi neri giganti formatisi nell'universo ad alto redshift, con masse di circa 10^5 M☉ al momento della formazione, ma che possono variare da 10^4 M☉ a 10^6 M☉. Le condizioni ambientali per la formazione di DCBH sono le seguenti:
- Nessun gas metallico (solo idrogeno ed elio).
- Gli atomi raffreddano il gas.
- Il flusso di fotoni Lyman-Wierth è sufficientemente grande da distruggere le molecole di idrogeno, rendendo il raffreddamento del gas meno efficiente.
Soddisfare le condizioni di cui sopra può impedire il raffreddamento del gas e quindi impedire la frammentazione della nube di gas originale. Le nubi di gas che non riescono a frammentarsi e a formare stelle subiscono un collasso gravitazionale globale e raggiungono densità di materia estremamente elevate nei loro nuclei, circa 10^7 g/cm3. A tali densità, l'oggetto sperimenterebbe instabilità relativistiche generali, formando alla fine un buco nero con una massa di circa 10^5 M☉, o addirittura fino a 1 milione di M☉. Il verificarsi di questa instabilità, insieme all'assenza di uno stadio stellare intermedio, porta questo tipo di buco nero a essere definito buco nero a collasso diretto.
Statistiche di quantità
Si ritiene che i buchi neri a collasso diretto siano estremamente rari nell'universo ad alto redshift perché è molto difficile soddisfare contemporaneamente le tre condizioni di base per la loro formazione. Le attuali simulazioni cosmologiche suggeriscono che la densità numerica di DCBH a redshift 15 potrebbe essere pari solo a circa 1 per gigapascal cubo. Nel caso più ottimistico, sulla base del flusso minimo di fotoni Lyman-Wierth richiesto per la formazione, la densità numerica potrebbe raggiungere circa 10^7 DCBH per gigapascal cubo.
Progresso del rilevamento
Nel 2016, un team guidato dall'astrofisico Fabio Pacucci dell'Università di Harvard ha utilizzato i dati del telescopio spaziale Hubble e dell'osservatorio a raggi X Chandra per identificare i primi due candidati buchi neri a collasso diretto. Entrambi i candidati hanno spostamenti verso il rosso maggiori di 6 e proprietà spettrali coerenti con quelle previste per tali sorgenti. In particolare, si prevede che queste sorgenti presentino un eccesso significativo di emissioni infrarosse a spostamenti verso il rosso più elevati.
In futuro, ulteriori osservazioni, in particolare utilizzando il telescopio spaziale James Webb, saranno fondamentali per studiare le proprietà di queste sorgenti e confermarne la natura.
Differenze dagli altri tipi di buchi neri
I buchi neri primordiali sono quelli formati dal collasso diretto di materia energetica o ionizzata durante periodi di espansione o periodi dominati dalle radiazioni, mentre i buchi neri a collasso diretto sono il risultato del collasso di regioni di gas insolitamente dense e grandi. Vale la pena notare che i buchi neri formati dal collasso di stelle di tipo III non sono considerati collassi "diretti".
Nel processo di esplorazione dei misteri dell'universo, l'importanza del collasso diretto dei buchi neri è stata gradualmente riconosciuta e future ricerche potrebbero rivelare ulteriori indizi sul mistero della formazione dei buchi neri supermassicci. Quanti buchi neri sconosciuti aspettano di essere scoperti dall'uomo in questo misterioso universo?
