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La misteriosa nascita dei buchi neri ad esplosione diretta: perché questi buchi neri supermassicci scioccano gli scienziati astronomici?
Agli albori della storia dell'universo, gli scienziati hanno notato alcuni oggetti speciali. Il modo in cui questi oggetti sono nati ha segnato una categoria importante nell'evoluzione della materia nell'universo: i buchi neri a esplosione diretta (DCBH). Questi misteriosi buchi neri furono creati tra 100 e 250 milioni di anni fa, un periodo noto come spostamento verso il rosso z compreso tra circa 15 e 30.
Il processo di formazione dei buchi neri a esplosione diretta è diverso da quello dei buchi neri nelle teorie tradizionali. Questi buchi neri si formano attraverso il collasso gravitazionale diretto piuttosto che l'evoluzione dalla morte delle stelle.
La formazione di un buco nero ad esplosione diretta richiede condizioni ambientali specifiche. Le condizioni principali includono; un gas con contenuto metallico pari a zero (contenente solo idrogeno ed elio), irradiazione di fotoni Lyman-Werner sufficientemente elevata da eccitare gli atomi di idrogeno e un flusso laser in grado di distruggere le molecole di idrogeno. Queste condizioni impediscono al gas di raffreddarsi e frammentarsi, consentendo alla nube di gas di subire un collasso gravitazionale intatto e raggiungere densità di materia estremamente elevate.
Quando la densità della materia raggiunge circa 107 g/cm³, queste nubi di gas subiranno un'instabilità relativistica ordinaria e si trasformeranno in buchi neri a esplosione diretta. Ciò significa che sono nati direttamente da nubi di gas primordiali, piuttosto che da progenitori stellari.
Secondo una simulazione al computer riportata nel luglio 2022, i ricercatori hanno scoperto che in condizioni rare, flussi di accrescimento forti e freddi possono creare enormi buchi neri senza radiazione ultravioletta e flusso supersonico. Questa simulazione mostra che in un ambiente cresciuto fino a circa 40 milioni di masse solari, alla fine si formarono diverse supergiganti che furono trasformate con successo in buchi neri a esplosione diretta.
La rarità delle esplosioni dirette del buco nero
I buchi neri direttamente esplosivi sono considerati oggetti estremamente rari nell'universo ad alto spostamento verso il rosso. Le attuali simulazioni cosmologiche mostrano che il numero di questi buchi neri con spostamento verso il rosso 15 potrebbe essere solo circa 1 per gigaparsec cubico. Questa previsione è fortemente influenzata dal flusso minimo di fotoni Lyman-Werner e, in alcuni degli scenari più ottimistici, la densità dei DCBH potrebbe arrivare fino a 107 celle per gibeltosecondo cubo.
La scoperta dei buchi neri ad esplosione diretta
Nel 2016, un team di ricercatori guidato dall'astrofisico dell'Università di Harvard Fabio Pacucci ha utilizzato i dati del telescopio spaziale Hubble e dell'Osservatorio a raggi X Chandra per identificare per la prima volta due candidati all'esplosione diretta dei buchi neri. Questi candidati si trovano tutti nella regione del redshift z>6 e le loro caratteristiche spettrali nel campo CANDELS GOODS-S sono coerenti con le previsioni.
Si prevede che questi buchi neri che esplodono direttamente producano radiazioni infrarosse più significative rispetto ad altre fonti ad alto spostamento verso il rosso, e ulteriori osservazioni, in particolare con il telescopio spaziale James Webb, saranno fondamentali per confermare la natura di queste fonti.
Differenze rispetto ad altri buchi neri
Diversamente dal processo di formazione dei buchi neri primordiali, che sono legati al collasso diretto di energia e materia carica, la formazione dei buchi neri a esplosione diretta deriva dal collasso di regioni di gas insolitamente dense e grandi. Vale la pena notare che i buchi neri formati da stelle di terza generazione (cioè stelle di popolazione III) non appartengono alla categoria dei buchi neri ad esplosione diretta.
Riepilogo
La scoperta dei buchi neri ad esplosione diretta non solo amplia la nostra comprensione della formazione dei buchi neri, ma rivela anche i complessi fenomeni che potrebbero esistere nell'universo primordiale. Questi oggetti misteriosi stanno ridefinendo la nostra comprensione fondamentale dell’evoluzione dell’universo. Con il progresso della scienza e della tecnologia, saremo in grado di scoprire altri segreti di questi buchi neri in futuro?
