La ricerca scientifica è costantemente alla ricerca di risposte ai grandi enigmi dell’universo, e uno dei più affascinanti riguarda l’esistenza e i meccanismi di formazione dei buchi neri di massa intermedia (IMBHs). Questi oggetti celesti, con masse comprese tra alcune centinaia e decine di migliaia di masse solari, potrebbero rappresentare l’anello mancante tra i buchi neri stellari, più piccoli, e i giganti supermassivi che si trovano al centro delle galassie.
Uno studio recente, condotto dal ricercatore Manuel Arca Sedda del Gran Sasso Science Institute e pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), ha gettato luce sui meccanismi che portano alla formazione di questi enigmatici IMBHs. L’indagine si è avvalsa di nuovi modelli informatici in grado di simulare la nascita di questi oggetti misteriosi, scoprendo che possono formarsi in ammassi stellari attraverso una combinazione complessa di tre fattori: fusioni tra stelle molto più grandi del nostro sole, accrescimento di materiale stellare su buchi neri stellari e, infine, fusioni tra buchi neri stellari.
Lo spettro dei buchi neri
I buchi neri si presentano in diverse tipologie: sebbene condividano densità così elevate da impedire persino alla luce di sfuggire alla loro attrazione gravitazionale, la massa di questi corpi celesti può variare in un intervallo molto ampio e discriminare il loro meccanismo di formazione. Possiamo identificare tre macro-categorie di interesse astronomico: stellari, intermedi e supermassivi.
I buchi neri stellari si formano quando una stella di massa sufficientemente grande (almeno venti volte più massiccia del nostro sole) esaurisce il suo combustibile e soccombe alla forza di gravità collassando su se stessa: rappresentano il tipo più leggero di buco nero, e abbiamo un quadro teorico chiaro sul processo che porta alla loro formazione.
All’estremo opposto troviamo gli immensi buchi neri supermassivi, con masse milioni o miliardi di volte superiori alla nostra stella. Si ritiene che ogni galassia ne ospiti uno al suo centro e nel 2019, grazie al Telescopio Event Horizon, è stato possibile ottenere la prima immagine diretta di uno di essi.
Nonostante questo formidabile risultato, la formazione e l’accrescimento di questi oggetti rappresentano ancora un affascinante mistero per l’astronomia moderna, principalmente a causa della mancanza di una prova definitiva a sostegno dell’esistenza stessa degli IMBHs. Ed è proprio questo l’oggetto dello studio di Arca Sedda, il primo di altri due attualmente in fase di revisione.
I sfuggenti buchi neri di massa intermedia
“I buchi neri di massa intermedia sono difficili da osservare”, spiega il ricercatore del GSSI, “i limiti osservativi attuali non ci permettono di dire nulla sulla popolazione di IMBHs con masse tra 1.000 e 10.000 masse solari, e rappresentano anche un grattacapo per gli scienziati in termini di possibili meccanismi che portano alla loro formazione”.
Uno degli obiettivi della ricerca era proprio cercare di capire come si formano questi buchi neri. “Abbiamo realizzato nuovi modelli informatici che possono simulare la formazione di questi oggetti misteriosi, e abbiamo scoperto che tali IMBHs possono formarsi in ammassi stellari attraverso una combinazione complessa di tre fattori: fusioni tra stelle molto più grandi del nostro sole, accrescimento di materiale stellare su buchi neri stellari e, infine, fusioni tra buchi neri stellari. L’ultimo è un processo che risulta nella possibilità di ‘vedere’ questi fenomeni attraverso il rilevamento di onde gravitazionali”, spiega Arca Sedda.
Lo studio ipotizza anche cosa accade dopo la nascita dei buchi neri intermedi: vengono espulsi dai propri ammassi attraverso complesse interazioni gravitazionali o a causa di un processo noto come rinculo relativistico, impedendo così la loro ulteriore crescita.
“I nostri modelli mostrano che, sebbene i semi di IMBH si formino naturalmente da interazioni stellari energetiche in ammassi stellari, è improbabile che diventino più pesanti di alcune centinaia di masse solari a meno che l’ammasso genitore non sia estremamente denso o massiccio”, afferma il ricercatore del GSSI.
Tuttavia, un importante mistero scientifico deve ancora trovare risposta: se i buchi neri intermedi rappresentano l’anello di congiunzione tra buchi neri stellari e supermassivi. È una questione aperta, ma lo studio lascia spazio a qualche speculazione.
“Abbiamo bisogno di due ingredienti per una migliore chiarificazione”, spiega Arca Sedda, “uno o più processi in grado di formare buchi neri nella gamma di massa degli IMBHs, e la possibilità di trattenere tali IMBHs nell’ambiente ospitante. Il nostro studio pone vincoli rigorosi sul primo ingrediente, dandoci una panoramica chiara di quali processi possano contribuire alla formazione degli IMBHs. Considerare in futuro ammassi più massicci contenenti più binari (sistemi composti da due stelle in orbita l’una intorno all’altra) potrebbe essere la chiave per ottenere anche il secondo ingrediente. Ma ciò richiederà enormi sforzi dal punto di vista tecnologico e computazionale”.
Per ulteriori informazioni su questa ricerca, si veda “The Elusive Trail of Intermediate Black Holes”.
Riferimento: “The dragon-II simulations – II. Formation mechanisms, mass, and spin of intermediate-mass black holes in star clusters with up to 1 million stars” di Manuel Arca Sedda, Albrecht W H Kamlah, Rainer Spurzem, Francesco Paolo Rizzuto, Thorsten Naab, Mirek Giersz e Peter Berczik, 25 settembre 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. DOI: 10.1093/mnras/stad2292
Istituti coinvolti: Gran Sasso Science Institute, Università degli Studi di Padova, Astronomisches Rechen Institute (Zentrum fur Astronomie der Universitat Heidelberg), Max Planck Institut fur Astronomie (MPIA, Heidelberg), Max Planck Institute for Astrophysics (MPA, Garching), National Astronomical Observatories and Key Laboratory of Computational Astrophysics (Chinese Academy of Science, Beijing), Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (Peking University), Nicolaus Copernicus Astronomical Centre (CAMK, Warsaw), Konkoly Observatory (Eotvos University, Budapest), Main Astronomical Observatory (National Academy of Science of Ukraine, Kiev), INFN-Padova, INAF-Padova, INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte.
