Com'è stato quando si sono formati i primi buchi neri supermassicci?

Questi colossi cosmici erano enormi sin dai primissimi tempi. Ecco come sono nati.

Una delle maggiori sfide per l'astrofisica moderna è descrivere come l'Universo sia passato da un luogo uniforme senza pianeti, stelle o galassie al cosmo ricco, strutturato e diversificato che vediamo oggi. Per quanto possiamo vedere, a quando l'Universo aveva solo poche centinaia di milioni di anni, troviamo una serie di oggetti affascinanti. Stelle e ammassi stellari esistono in abbondanza; le galassie con forse un miliardo di stelle illuminano l'Universo; persino i quasar con enormi buchi neri formati prima che l'Universo avesse persino un miliardo di anni.

Ma come ha fatto l'Universo a creare buchi neri così enormi in così brevi periodi di tempo? Dopo decenni di storie contrastanti, gli scienziati finalmente pensano che sappiamo cosa è successo.

A soli 50-100 milioni di anni dopo il Big Bang, iniziarono a formarsi le primissime stelle. Le enormi nuvole di gas iniziarono a crollare, ma poiché erano composte solo da idrogeno ed elio, lottano per irradiare calore e dissipare la loro energia. Di conseguenza, questi grumi che si formano e crescono gravitazionalmente devono diventare molto più massicci dei grumi che formano le stelle oggi e che hanno ripercussioni sul tipo di stelle che si formano.

Mentre oggi, in genere, formiamo stelle che rappresentano circa il 40% della massa del Sole, le prime stelle erano circa 25 volte più massicce, in media. Poiché è necessario raffreddarsi per collassare, sono solo i grumi più grandi e massicci che si formano all'inizio che porteranno alle stelle. La "prima stella" media potrebbe essere dieci volte più massiccia del nostro Sole, con molte stelle singole che raggiungono centinaia o addirittura un migliaio di masse solari.

La maggior parte di queste stelle finirà la loro vita in una supernova, portando a una stella di neutroni oa un piccolo buco nero a bassa massa. Ma senza alcun elemento pesante, le stelle più massicce raggiungeranno temperature così elevate nei loro nuclei che i fotoni, le singole particelle di luce, possono diventare così energici che inizieranno spontaneamente a produrre coppie di materia e antimateria dalla sola energia pura.

Potresti aver sentito parlare di E = mc² di Einstein, e questa è forse la sua più potente applicazione: una forma pura di energia, come i fotoni, può creare particelle di massa fintanto che le regole quantistiche fondamentali che governano la natura sono rispettate. Il modo più semplice per produrre materia e antimateria è che i fotoni producano una coppia elettrone / positrone, che accadrà da sola se le temperature sono abbastanza alte.

In queste stelle ultra-massicce, come in tutte le stelle, la gravitazione sta tentando di trascinare tutta quella materia verso il centro. Ma i fotoni e tutte le radiazioni prodotte nei nuclei di queste stelle, spingono indietro e trattengono la stella, impedendone il collasso.

Quando inizi a produrre coppie elettrone-positrone da questi fotoni, tuttavia, stai perdendo parte della pressione della radiazione. Stai esaurendo la capacità della tua stella di resistere al collasso gravitazionale. E mentre è vero che ci sono poche e strette gamme di massa che portano alla stella a distruggersi completamente, una grande frazione di casi comporterà il collasso dell'intera stella per formare un buco nero.

Questo è un passo straordinario! Significa che le stelle più massicce di tutte, con molte centinaia o addirittura un migliaio di masse solari, possono formarsi quando l'Universo ha circa 100 milioni di anni circa: meno dell'1% della sua età attuale. Queste stelle bruceranno attraverso il loro combustibile nucleare il più veloce, in 1 o 2 milioni di anni, al massimo. E poi, i loro nuclei diventeranno così caldi che inizieranno a trasformare i fotoni in particelle e antiparticelle, causando il collasso della stella e il riscaldamento ancora più veloce.

Una volta superata una determinata soglia, tutto ciò che puoi fare è comprimere. E questa non è solo teoria; abbiamo effettivamente visto le stelle crollare direttamente senza una supernova, portando direttamente a quello che potrebbe essere solo un buco nero.

Ma questo è solo l'inizio. Ogni volta che hai un grande gruppo di oggetti enormi che agiscono principalmente sotto la forza di gravità, diversi oggetti vengono presi a calci da queste interazioni. Gli oggetti meno massicci sono quelli che sono i più facili da espellere, mentre gli oggetti più massicci sono i più difficili da espellere. Mentre queste stelle, nuvole di gas, ciuffi e buchi neri danzano intorno, subiscono la cosiddetta segregazione di massa: gli oggetti più pesanti cadono nel centro gravitazionale, dove interagiscono e possono persino fondersi.

All'improvviso, invece di qualche centinaio di buchi neri di qualche centinaio o qualche migliaio di masse solari, puoi finire con un solo buco nero di circa 100.000 masse solari o anche di più.

Sebbene, gravitazionalmente, potrebbero essere necessarie decine di milioni di anni perché ciò accada, questo è solo per un ammasso stellare! L'Universo, sin dalle sue prime fasi, sta formando questi ammassi stellari dappertutto, e questi ammassi stellari iniziano quindi ad attrarsi gravitazionalmente l'un l'altro. Nel tempo, questi ammassi stellari si influenzeranno a vicenda e la gravità li unirà.

Con il tempo l'Universo non ha più di 250 milioni di anni, avranno iniziato a fondersi insieme in massa, portando alle prime proto-galassie. La gravità è una forza che favorisce veramente l'eccessivo sovraeccitazione e col passare del tempo, decine, centinaia e persino migliaia di questi ammassi iniziali possono unirsi per diventare galassie sempre più grandi. La rete cosmica fa sì che le strutture si fondano in strutture sempre più grandi.

Questo può facilmente portarci a masse che sono molte decine di milioni di masse solari quando arriviamo alle prime galassie, ma succede anche qualcos'altro. Non sono solo i buchi neri che si uniscono per costruire quelli supermassicci al centro; è una questione che cade in loro! Queste prime galassie sono oggetti compatti e sono piene di stelle, gas, polvere, ammassi stellari, pianeti e altro ancora. Ogni volta che qualcosa si avvicina troppo a un buco nero, è a rischio di divorarsi.

Ricorda che la gravità è una forza in fuga: più massa hai, più massa attiri. E se qualcosa si avvicina troppo a un buco nero, la sua materia viene allungata e riscaldata, dove diventerà parte del disco di accrescimento del buco nero. Parte di questa materia verrà riscaldata e accelerata, dove può emettere getti quasar. Ma anche una parte di esso cadrà, facendo crescere ulteriormente la massa del buco nero.

Se ci fosse una parola del vocabolario che gli astrofisici che studiano la crescita dell'oggetto attraverso la gravità desiderano che il pubblico generale lo sapesse, sarebbe questa strana palla: non lineare. Quando hai una regione di spazio più densa della media, attira preferibilmente la materia. Se è solo un po 'più denso della media, l'attrazione gravitazionale è solo qualche percento più efficace della media. Raddoppia l'importo in eccesso e raddoppia l'importo in cui sei più efficace nell'attirare oggetti.

Ma quando raggiungi una certa soglia di circa il doppio della media, diventi molto più del doppio efficace nell'attirare altra materia. Quando inizi a "vincere" la guerra gravitazionale, vinci sempre più duramente col passare del tempo. Le regioni più grandi, quindi, non solo crescono più velocemente, ma mangiano tutto ciò che le circonda. Con il passare di mezzo miliardo di anni, puoi essere enorme.

Le prime galassie e quasar che abbiamo mai trovato sono tra i più brillanti e massicci che ci aspettiamo di esistere. Sono i grandi vincitori delle guerre gravitazionali dell'Universo primordiale: gli estremi predatori cosmici. Quando i nostri telescopi li rivelano, tra i 400 e i 700 milioni di anni dopo il Big Bang (il primo quasar proviene da 690 milioni di anni), hanno già miliardi di stelle e buchi neri supermassicci di molte centinaia di milioni di masse solari.

Ma questa non è una catastrofe cosmica; questa è una prova che mette in mostra il potere fuggitivo della gravitazione nel nostro Universo. Seminati dalla prima generazione di stelle e dai buchi neri relativamente grandi che producono, questi oggetti si fondono e crescono all'interno di un ammasso, quindi diventano ancora più grandi man mano che i gruppi si fondono per formare galassie e galassie si fondono per formare galassie più grandi. Oggi abbiamo buchi neri di decine di miliardi enormi come il sole. Ma anche nelle prime fasi che possiamo osservare, i buchi neri da una massa miliardaria sono a portata di mano. Mentre stacciamo il velo cosmico, speriamo di imparare esattamente come crescono.

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Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.