Il rompicapo super massiccio

“Si ma comunque ci lascia indifferenti” canta Elio degli Elio e le Storie Tese in supermassiccio. Un brano che fa un po’ il verso ai Muse e alla loro supermassive black hole.
Nel pezzo degli elii a parlare è il pubblico, che avvisato dell’imminente pericolo di un buco nero che potrebbe ingoiare la terra, fa spallucce, essendo un argomento così distante dalla loro esperienza comune.

In verità, il cosmo ha sempre affascinato anche chi non se ne occupa direttamente. E, sempre più in voga, è l’argomento buchi neri. Ne esistono di vari tipi, fra cui quelli super massicci, buchi neri con masse da milioni a miliardi di volte maggiori di quella del sole, che si trovano al centro di molte galassie, inclusa la Via Lattea.
Sui meccanismi che hanno portato alla loro formazione c’è però molto dibattito.

Il rompicapo: perché hanno una massa così elevata?

Di recente è stato pubblicato uno studio dell’Università della California – Riverside, dal titolo “Seeding Supermassive Black Holes with Self-Interacting Dark Matter: A Unified Scenario with Baryons.” pubblicato sulla rivista Astrophysical Journal Letters.
Il rompicapo su cui si arrovellano i fisici e i cosmologi è il fatto che, nonostante questi oggetti astronomici siano apparsi quando l’universo era ancora molto giovane, possedevano già allora delle dimensioni notevoli. Hanno poi ulteriormente accresciuto la loro massa in maniera inspiegabilmente rapida fino a raggiungere le dimensioni attuali.

Il fisico teorico Hai-Bo Yu, che ha guidato lo studio, afferma in un’intervista: “è come un bambino di cinque anni che pesa, diciamo, novanta chili. Questo bambino ci sconvolgerebbe perché conosciamo il peso tipico di un bambino appena nato e sappiamo con che velocità aumenta il suo peso.” E aggiunge: “quando si parla di buchi neri, i fisici hanno certe aspettative sulla massa iniziale e sul tasso di crescita.”

Le spiegazioni dei fisici

La spiegazione che usualmente viene utilizzata per giustificare la massa di questi oggetti è che essi si siano formati dal collasso gravitazionale (il meccanismo per cui, grazie alla forza di gravità, diversi oggetti vengono attirati verso un punto convergente) del gas presente nelle proto-galassie, ossia quegli ammassi di materia che col tempo sarebbero diventate le galassie che conosciamo oggi, pululanti di stelle accese.

Ma questa ipotesi non ha mai pienamente soddisfatto: non è sufficiente, da solo, a giustificare tali masse e tali tassi di accrescimento.
“O il buco nero neonato è molto più massiccio di quello che pensiamo, o il suo tasso di crescita molto maggiore. O entrambe le cose” continua Yu. “Allora la domanda che sorge è quale sia il meccanismo per produrre un buco nero neonato di tale massa e che possa crescere così velocemente.”

Se la materia oscura ci mette lo zampino

L’articolo di Yu e colleghi propone proprio una soluzione a questo problema e tira in ballo un altro protagonista del dibattito cosmologico degli ultimi tempi: la materia oscura.
La materia oscura è una componente del nostro universo, molto più abbondante della materia ordinaria con cui siamo abituati ad avere a che fare. Ma interagisce talmente poco con l’ambiente, se non tramite la gravità, che rilevarla direttamente in laboratorio si è rivelato fin’ora impossibile. Eppure, osservando le galassie, vi sono prove schiaccianti della sua esistenza. Le galassie, o gruppi di galassie, sono infatti immerse in aloni di materia oscura che ne garantiscono la stabilità.

La spiegazione del gruppo di Yu propone che la materia oscura si accentri in grandi aloni, essendo attratta dalla sua stessa gravità. In questa fase ci sono due forze contrastanti in gioco: gravità e pressione.
La prima tende a far convergere la materia oscura in aloni, la seconda, dovuta ad altri tipi di interazioni della materia oscura con se stessa, gioca l’effetto contrario, ossia quello di far allontanare fra loro le particelle.

Visto che gli scienziati non sono sicuri di questo secondo tipo di interazioni, Yu e colleghi hanno analizzato due diverse situazioni.
Se la materia oscura non interagisce con se stessa, la gravità agisce indisturbata. Più le particelle si addensano, più diventano calde. Più diventano calde, più si muovono velocemente. E ciò si traduce con il comparire di una pressione che spinge le particelle verso l’esterno. Si ha dunque un effetto di rimbalzo: l’alone si disperde.
Assumendo l’esistenza dell’auto-interazione, la materia oscura calda e densa può trasferire il calore a quella più fredda circostante rendendo difficoltoso l’effetto rimbalzo. L’alone centrale, a questo punto, assume la capacità di ruotare. Come è noto, la rotazione produce una forza centrifuga che spinge le particelle verso l’esterno. L’auto-interazione però, agisce da freno e dissipa il movimento rotatorio. Ciò fa sì che il raggio della porzione di alone in esame si riduca, mentre la sua massa rimane fissa. In altra parole aumenta la sua densità.
In certi punti dell’alone si può raggiungere una densità tale che si formi un buco nero. Questo può crescere rapidamente ingoiando la materia ordinaria circostante composta di stelle e gas liberi.
Questa ipotesi può quindi spiegare perché il buco nero super massiccio nasca di dimensioni estremamente maggiori di quelli ordinari che invece derivano dal collasso gravitazionale delle stelle. L’abbondanza di materia (oscura e ordinaria) e le dimensioni già rilevanti dell’oggetto alla sua nascita assicurano un tasso di crescita che giustifica le osservazioni odierne.

Un freno stellare

Questo articolo, oltre a fornire una spiegazione di come si possano essere formati i buchi neri super massicci, fa emergere due punti importanti.
Affinché si formino i buchi neri super massicci neonati è necessario che ci sia un meccanismo che freni il moto rotatorio della materia oscura presente nell’alone. Ciò è possibile solo se la materia oscura interagisce con se stessa. Si ha dunque un suggerimento indiretto su una proprietà fondamentale della materia oscura della quale ancora sappiamo poco.
L’altro rimarca l’importanza della materia ordinaria, composta da stelle e gas, per l’accrescimento dei buchi neri super massicci.

“Si ma comunque ci lascia indifferenti” canta Elio degli Elio e le Storie Tese in supermassiccio.
Fa il verso a un indefinito pubblico che non sembra minimamente toccato da questioni che non riguardano loro direttamente.
Ma, come afferma un’altra citazione attribuita a molti, di cui non è chiara la provenienza esatta: “We are made of star-stuff”, ovvero “siamo fatti di roba che arriva dalle stelle”. E in questo senso parlare del cosmo è come parlare di noi stessi.
Forse il coro di Elio risponderebbe ancora una volta “Si ma comunque ci lascia indifferenti”, perché mica si può far contenti tutti.

Leggi anche: I cambiamenti climatici e le attività umane stanno spostando l’asse terrestre

Articolo pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia.   

Photo by John Paul Summers on Unsplash