Trovato un buco nero 'fuorilegge' che cresce 13 volte il 'limite di velocità' cosmico, sfidando le teorie

Globale - Agenzia stampa Ekhbary

Trovato un buco nero 'fuorilegge' che cresce 13 volte il 'limite di velocità' cosmico, sfidando le teorie

In una scoperta che promette di riscrivere i primi capitoli della storia dell'universo, gli astronomi hanno individuato un quasar antico e incredibilmente vorace che sta infrangendo le regole fondamentali su come i buchi neri consumano materia e generano i getti che modellano le galassie. L'oggetto in questione, noto come quasar ID830, è un buco nero supermassiccio (SMBH) estremamente luminoso e attivo che sta espellendo immensi getti di radiazioni dai suoi poli. Non solo sta superando il "limite di velocità" di crescita dei buchi neri di ben 13 volte, ma sta anche emettendo intense radiazioni X e onde radio contemporaneamente – due caratteristiche che, secondo le attuali teorie, non dovrebbero coesistere.

L'ID830 è eccezionalmente massiccio. Circa 12 miliardi di anni fa, quando l'universo aveva circa il 15% della sua età attuale, pesava già 440 milioni di masse solari. Questo lo rende oltre 100 volte più massiccio di Sagittarius A*, il SMBH al centro della nostra galassia, la Via Lattea. Una crescita così rapida agli albori dell'universo pone domande significative per i modelli di evoluzione cosmica.

Come è possibile questo comportamento "fuorilegge"? In un articolo pubblicato il 21 gennaio su The Astrophysical Journal, un team internazionale di ricercatori ha osservato ID830 in più lunghezze d'onda per trovare una risposta. I buchi neri sono i più voraci mangiatori dell'universo, ma anche i "mostri" hanno un limite di alimentazione. Quando attraggono gas e polvere, questo materiale si accumula in un disco di accrescimento vorticoso. La gravità tira il materiale dal disco nel buco nero, ma il materiale in caduta genera una pressione di radiazione che spinge verso l'esterno e impedisce che altra materia cada. Di conseguenza, i buchi neri sono "museruolati" da un processo di autoregolazione chiamato limite di Eddington.

Tuttavia, i buchi neri possono temporaneamente bypassare questo limite e subire rapidi scatti di crescita a un limite "super-Eddington". I ricercatori propongono molteplici meccanismi per questa "ingordigia cosmica". Ad esempio, Anthony Taylor, un astronomo dell'Università del Texas ad Austin non coinvolto nello studio, ha dichiarato a Live Science via email che "dovrebbe essere perfettamente possibile per un buco nero consumare materia più velocemente del limite di Eddington per un breve periodo di tempo prima che la pressione di radiazione si accumuli per limitare il tasso di accrescimento". In alternativa, un buco nero può consumare materia da un disco attorno al suo equatore mentre la pressione di radiazione esterna espelle materiale dai suoi poli. "In questa situazione, la pressione di radiazione non si opporrebbe direttamente all'afflusso di materia, consentendo così di superare il limite di Eddington", ha aggiunto Taylor. "Ci sono una varietà di geometrie in cui questo potrebbe funzionare!"

Le meccaniche super-Eddington possono aiutare a conciliare i modelli di crescita dei SMBH con un catalogo in espansione di osservazioni dell'universo primordiale. Con la sua eccezionale sensibilità all'infrarosso, il telescopio spaziale James Webb (JWST) ha rivelato che i SMBH sono cresciuti sorprendentemente velocemente e sorprendentemente presto, sfidando tutte le aspettative. Quindi, come hanno fatto i SMBH a diventare così grandi, così velocemente? Alcuni scienziati suggeriscono che le stelle di Popolazione III, le prime e più grandi stelle nella storia cosmica, sono collassate per produrre "semi" di buchi neri di 1.000 o più masse solari. Ma anche questi semi massicci avrebbero avuto bisogno di nutrirsi al limite di Eddington per più di 650 milioni di anni per raggiungere alcune delle loro dimensioni osservate. Questa impresa potrebbe sembrare irrealizzabile per diverse ragioni, inclusa la prodigiosa quantità di gas necessaria per sostenere un tale prolungato ingozzamento.

I ricercatori hanno calcolato il tasso di crescita di ID830 misurando la sua luminosità nelle lunghezze d'onda ultraviolette (UV) e dei raggi X. La sua luminosità ai raggi X suggerisce che ID830 sta accrescendo massa a circa 13 volte il limite di Eddington, a causa di una "improvvisa esplosione di gas in ingresso" che potrebbe essersi verificata quando ID830 ha sminuzzato e inghiottito un corpo celeste che si è avvicinato troppo. Sakiko Obuchi, coautrice dello studio e astronoma osservativa all'Università di Waseda a Tokyo, ha dichiarato a Live Science via email: "Per un SMBH massiccio come ID830, ciò richiederebbe non una stella normale (di sequenza principale), ma una stella gigante più massiccia o un'enorme nube di gas." Obuchi ha aggiunto che tali fasi super-Eddington potrebbero essere incredibilmente brevi, poiché "questa fase di transizione dovrebbe durare circa 300 anni."

L'ID830 mostra anche contemporaneamente emissioni radio e raggi X. Queste due caratteristiche non sono previste coesistere, soprattutto perché si pensa che l'accrescimento super-Eddington sopprima tali emissioni. "Questa combinazione inaspettata suggerisce meccanismi fisici non ancora pienamente catturati dagli attuali modelli di accrescimento estremo e lancio di getti", hanno affermato i ricercatori. Quindi, mentre l'ID830 sta lanciando massicci getti radio, le sue emissioni di raggi X sembrano provenire da una struttura chiamata corona, prodotta quando intensi campi magnetici dal disco di accrescimento creano una nuvola sottile ma turbolenta di particelle "turbo-caricate" a un miliardo di gradi. Queste particelle orbitano attorno al buco nero a quasi la velocità della luce, in quello che la NASA definisce "uno degli ambienti fisici più estremi dell'universo".

Nel complesso, i comportamenti "fuorilegge" dell'ID830 suggeriscono che si trova in una rara fase di transizione di consumo ed escrezione eccessivi. Questa incredibile esplosione di alimentazione ha energizzato sia i suoi getti che la sua corona, facendo brillare intensamente l'ID830 su più lunghezze d'onda mentre espelle la radiazione in eccesso. Inoltre, basandosi sull'analisi della luminosità UV, i quasar come ID830 potrebbero essere inaspettatamente comuni, hanno affermato i ricercatori. I modelli prevedono che solo circa il 10% dei quasar abbia getti radio spettacolari, ma questi oggetti energetici potrebbero essere significativamente più abbondanti nell'universo primordiale di quanto precedentemente suggerito.

Ancora più importante, l'ID830 mostra anche come i SMBH possono regolare la crescita delle galassie nell'universo primordiale. Quando un buco nero inghiotte materia al limite super-Eddington, l'energia delle sue emissioni risultanti può riscaldare e disperdere la materia in tutto il mezzo interstellare – il gas tra le stelle – per sopprimere la formazione stellare. Di conseguenza, i SMBH antichi come l'ID830 potrebbero essere cresciuti enormemente a spese delle loro galassie ospite. "Se i buchi neri super-Eddington sono più comuni di quanto pensassimo, è probabile che ci siano ancora delle grandi lacune nella nostra comprensione di come gli oggetti nell'universo primordiale hanno preso forma. Questa scoperta si aggiunge a una crescente mole di prove dal telescopio spaziale James Webb che mostra stelle, galassie e buchi neri nell'universo antico che sembrano molto più grandi e più maturi di quanto la teoria non preveda", ha concluso Obuchi.

Agenzia stampa Ekhbary