Un buco nero di 13 miliardi di anni, il più antico mai osservato

22 gennaio 2024

Di Massimo Falcioni

L’uomo, da sempre, si è posto la domanda: che cos’è il tempo? Sant’Agostino rispondeva: “Che cos’è il tempo? Se non me lo chiedi lo so, ma, se invece mi chiedi che cosa sia il tempo, non so rispondere”. Milletrecento anni dopo Newton diceva la sua: “Il tempo è una grandezza assoluta e scorre uniformemente in qualsiasi caso”. Il concetto di tempo “assoluto” di Newton inizia a disgregarsi con la teoria della relatività di Einstein, lo scienziato tedesco vissuto fra Ottocento e Novecento: “Il tempo è un’illusione, non è assoluto ma è relativo, il suo unico valore è dato da ciò che noi facciamo mentre sta passando”.

Spazio - Tempo di Einstein

In altre parole, il tempo, lo spazio e la massa sono strettamente legati fra loro. Il poeta giapponese Kobayashi Issa scriveva: “Sta come un pesce/che ignora l’oceano/l’uomo nel tempo”. E Alda Merini: “Devo liberarmi del tempo/e vivere il presente giacché non esiste altro tempo/che questo meraviglioso istante”. Dalla filosofia alla scienza, dal lume della sapienza al buco nero del cosmo, cioè una regione dello spazio in cui il campo gravitazionale è talmente forte che qualsiasi cosa avvicini viene attratta e catturata senza poter sfuggire all’esterno. Nemmeno un raggio di luce, nonostante la sua velocità (300 mila chilometri al secondo) può sfuggire alla “cattura” di un buco nero: ciò perché il buco nero, non emettendo radiazioni, non può essere visto essendo totalmente oscuro. In un buco nero la massa è concentrata in un volume infinitamente piccolo. Tanti sono i buchi neri nello spazio, in galassie nate quando l’Universo aveva meno di un miliardo di anni.

Questi giganteschi oggetti erano già grandi da molte centinaia di milioni a più di un miliardo di masse solari. Come siano cresciuti così tanto in così poco tempo, rimane ancora un mistero. È possibile che siano stati creati in uno dei modi in cui l’Universo crea buchi neri: dal collasso del nucleo di una stella gigante, dal collasso diretto di una supernova, dalla collisione fra una stella di neutroni e qualcos’altro. Nelle prime fasi del Big Bang però, sappiamo che l’Universo iniziò con la stessa quantità di materia (o densità di energia) in tutte le direzioni. Occorrono dai 50 ai 200 milioni di anni perché la gravità porti alla formazione e al collasso di grandi stelle. È una bella sfida, quella dei “buchi” nell’immensità degli spazi, per gli scienziati del futuro. I buchi sulle strade cittadine e dintorni -ahinoi- si incontrano tutti i giorni e non fanno più notizia. La notizia è un’altra: è stato scoperto il buco nero più antico dell’universo e ha più di 13 miliardi di anni. Per fare un rapporto basti pensare che il Sistema Solare risale a 4,54 miliardi di anni fa, che tra 2,5 e 2 milioni di anni fa compare – in Africa – il genere Homo, con la specie Homo habilis. A partire da 1,6 milioni di anni fa ecco l’Homo erectus – in Asia – e l’Homo ergaster, ancora in Africa. Tra 200.000 e 100.000 anni fa compaiono le prime forme di Homo sapiens che nell’arco di alcune decine di migliaia di anni raggiunge, circa 20.000 anni fa, tutti i continenti della Terra.

Credits: NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University) 

La scoperta del nuovo buco nero, nato “appena” 400 milioni di anni dopo il Big Bang, è dovuta a un gruppo di astronomi dell’Università britannica di Cambridge che lo hanno trovato grazie al telescopio spaziale James Webb di Nasa, Agenzia Spaziale Europea e di quella Canadese, all’interno della galassia GN-z11 ed è in attesa di avere un proprio nome. La significativa scoperta, pubblicata sulla rivista Nature, arriva da un gruppo internazionale di ricercatori guidati dall’italiano Roberto Maiolino, astronomo astrofisico del Cavendish Laboratory e del Kavli Institute of Cosmology di Cambridge, team di altissimo livello del quale fanno parte anche altri professionisti italiani e a cui ha contribuito anche la Scuola Normale Superiore di Pisa. L’oggetto osservato è sorprendentemente massiccio per l’universo primordiale, con dimensioni che arrivano a qualche milione di volte la massa del nostro Sole, e mette dunque in discussione le attuali teorie su come si formano e crescono i buchi neri. “I nuovi dati ottenuti con JWST (il telescopio spaziale a raggi infrarossi lanciato il 25 dicembre 2021N.d.R.) hanno escluso alcune delle teorie più standard sulla formazione di questi buchi neri, e quindi è stato necessario svilupparne di nuove”, ha spiegato all’ANSA Maiolino.

Roberto Maiolino, Professor of Experimental Astrophysics. Credits: University of Cambridge

“Due sono gli scenari più plausibili: i buchi neri potrebbero essere nati già molto massicci, e questo potrebbe essere avvenuto in seguito al collasso gravitazionale di enormi nubi di gas primordiale. Alternativamente – prosegue il ricercatore – i primi buchi neri potrebbero essersi formati dal collasso delle prime stelle, e quindi sarebbero nati relativamente piccoli per poi crescere molto rapidamente, ad un tasso molto più alto di quanto previsto dalle precedenti ipotesi”. Gli astronomi, infatti, ritenevano che i buchi neri supermassicci trovati al centro di galassie come la Via Lattea fossero cresciuti fino alle dimensioni attuali nel corso di miliardi di anni. E qui casca l’asino: l’universo non aveva ancora nemmeno 1 miliardo di anni all’epoca nella quale questo buco nero era già completamente formato. Come tutti i buchi neri, anche quello appena scoperto sta divorando materiale dalla galassia che lo ospita per alimentare la sua crescita. Tuttavia, il protagonista di questo studio sembra che stia inghiottendo materia molto più voracemente rispetto ai suoi ‘parenti’ nati in epoche successive.

La giovane galassia ospite, chiamata GN-z11, brilla infatti in maniera molto intensa a causa del suo ‘energetico’ ospite. GN-z11 è una galassia compatta, circa cento volte più piccola della Via Lattea, ma sembra che il buco nero ne stia compromettendo lo sviluppo, divorando una quantità troppo elevata di gas in un processo che finirà per uccidere anche il buco nero stesso eliminando la sua fonte di ‘cibo’. Tanti, dunque, i nodi da sciogliere per poter far luce sui processi di formazione iniziando ad analizzare i piccoli “semi” di buchi neri. “L’universo è stato molto generoso nel mostrarci ciò che ha fatto, e questo è solo l’inizio - commenta ancora Maiolino: “È probabile che nei prossimi anni, forse anche nei prossimi mesi, verranno rivelati oggetti ancora più antichi di quello appena scoperto”. Intanto, si è arrivati a classificare i buchi neri in quattro categorie, in base alla loro massa “M”. 

  • supermassicci
  • di massa intermedia
  • stellari 
  • micro buchi neri

I buchi neri supermassicci sono i più grandi tipi di buchi neri caratterizzati da una massa milioni di volte superiore rispetto a quella del Sole. Essi sono caratterizzati da una densità media inferiore rispetto a quella dell’acqua ed inversamente proporzionale al quadrato della sua massa. Almeno un buco nero supermassiccio dovrebbe essere presente al centro di ogni galassia, inclusa la Via Lattea.     
I buchi neri di massa intermedia si trovano al centro degli ammassi stellari e presentano una massa decisamente inferiore rispetto a quella presente nei buchi neri supermassicci. L’origine di questa tipologia di buchi neri è incerta: alcuni studiosi affermano che essi si siano formati in seguito al collasso gravitazionale di una stella, altri studi li ritengono il risultato della collisione di stelle massicce in ammassi stellari.   
I buchi neri stellari, come la maggior parte dei buchi neri, sono caratterizzati da tre grandezze fondamentali: massa (circa trenta volte superiore rispetto a quella del Sole), carica e momento angolare. Questa tipologia di buchi neri ha origine dal collasso gravitazionale di una Stella massiccia. 
I micro-buchi neri sono anche chiamati buchi neri microscopici e sono caratterizzati da una massa circa uguale a quella del Sole. Un ruolo fondamentale nella “vita” di questa tipologia di buchi neri è rappresentato dalla meccanica quantistica. I micro-buchi neri tendono ad evaporare velocemente a causa della loro piccola dimensione mediante un processo noto come radiazione di Hawking. Tale processo porta all’improvvisa emissione di particelle elementari nel momento in cui il buco nero improvvisamente esplode. 

Una cosa è certa. I buchi neri ci sono. Occhio a non finirci dentro.