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Il legame tra i buchi neri e il Big Bang: perché il collasso di un buco nero può cambiare la nostra comprensione dell'universo?
Nell'universo primordiale, i buchi neri a collasso diretto (DCBH) potrebbero essere stati un'origine chiave dei buchi neri supermassicci. Questi semi di buchi neri di grande massa si formano dal collasso diretto di grandi quantità di materia e si ipotizza che 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 semi dei buchi neri che si formano dalla prima generazione di stelle (la cosiddetta generazione di stelle della terza popolazione), questi buchi neri a collasso diretto si formano tramite instabilità relativestiche generali dirette. La loro massa tipica può raggiungere circa 105 M☉. Questa classe di semi di buchi neri è stata inizialmente proposta teoricamente per risolvere la sfida dell'esistenza di buchi neri supermassicci a redshift z~7, che è stata confermata da numerose osservazioni. .
I buchi neri a collasso verticale si formano attraverso una combinazione unica di condizioni fisiche ambientali che raramente si verificano simultaneamente.
Meccanismo di formazione
La formazione di un buco nero a collasso diretto coinvolge diverse condizioni ambientali chiave che favoriscono il collasso diretto del gas piuttosto che la formazione di un ammasso di stelle. In primo luogo, il gas deve essere privo di metallo (cioè contenere solo idrogeno ed elio), in secondo luogo, deve avere un effetto di raffreddamento atomico e, infine, deve esserci un flusso di fotoni Lyman-Wierth di intensità sufficiente a distruggere le molecole di idrogeno, che sono refrigeranti per gas molto efficaci. Se il processo di raffreddamento di questi gas non può essere interrotto, la nube di gas subirà un collasso gravitazionale e raggiungerà una densità di massa estremamente elevata, pari a circa 107 g/cm³. A queste densità, gli oggetti subiranno instabilità relativistiche generali, portando alla formazione di buchi neri con masse tipicamente fino a 105 M☉, o addirittura fino a 1 milione di M☉.
Questi oggetti collassano direttamente dalle nubi di gas primordiale, senza passare attraverso una fase stellare intermedia, e sono perciò chiamati buchi neri a collasso diretto.
Una recente simulazione al computer riporta che potenti e freddi flussi di accrescimento in rare concentrazioni possono formare questi semi di buchi neri senza la necessità di uno sfondo ultravioletto o di flussi supersonici, o addirittura di raffreddamento atomico. In questa simulazione, solo quando la massa del barione è cresciuta fino a 40 milioni di masse solari, la gravità ha finalmente superato la turbolenza e la stella è semplicemente collassata per formare due stelle supermassicce, che alla fine sono diventate buchi neri a collasso diretto con masse rispettivamente di 31.000 e 2.000. . e 40.000 M☉.
Numero di buchi neri con collasso verticale
Nonostante l'importante valore teorico dei buchi neri a collasso diretto, gli scienziati ritengono generalmente che siano relativamente rari nell'universo ad alto redshift perché è molto difficile soddisfare simultaneamente le tre condizioni di base richieste per la loro generazione. Le attuali simulazioni cosmologiche prevedono che a uno spostamento verso il rosso pari a 15 ci sia, in media, solo circa un buco nero a collasso diretto per ogni gigapascal cubo. A seconda di diverse ipotesi, il numero previsto di buchi neri a collasso diretto potrebbe arrivare fino a 107 per gigapascal cubo, ma ciò richiederebbe un flusso di fotoni Lyman-Wierth estremamente elevato.
Ciò comporta anche aspettative per le osservazioni future, in particolare quelle del telescopio spaziale Zhang Xianwang che saranno fondamentali.
Rilevamento e scoperta
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 per la prima volta due collassi verticali. I candidati buchi neri, i valori z del redshift di questi due candidati sono entrambi maggiori di 6 e sono coerenti con le caratteristiche spettrali di questo tipo di corpo celeste. Si prevede che queste sorgenti presentino un eccesso significativo di emissioni infrarosse rispetto ad altre sorgenti con redshift più elevati. Le osservazioni future saranno fondamentali per determinare le proprietà di questi candidati buchi neri.
Differenze dagli altri buchi neri
Va notato che i buchi neri primordiali si formano a causa di un calo improvviso e diretto di energia, di materia ionizzata o di entrambi, mentre i buchi neri da collasso diretto si formano a causa del collasso diretto di nubi di gas dense e grandi. Inoltre, i buchi neri formati da stelle di terza generazione non sono classificati come buchi neri da collasso "diretto".
La scoperta dei buchi neri a collasso verticale fornisce senza dubbio una nuova prospettiva per studiare la struttura delle galassie e la formazione dei buchi neri nell'universo primordiale, il che porterà a riflessioni più approfondite: quali altre incognite sono nascoste nell'universo durante la formazione dei buchi neri a collasso verticale? buchi? Come risolvere il mistero?L'esistenza di buchi neri a collasso verticale non solo spiega la formazione dei buchi neri nell'universo primordiale, ma mette anche in discussione la nostra comprensione dell'evoluzione dell'universo.
