Da JWST un buco nero che sembra oltre i limiti di Eddington
La presenza di grandi masse in un universo giovane è uno dei misteri cosmologici e astrofisici maggiori. Osservazioni del James Webb Space Telescope potrebbero avvalorare una delle teorie proposte
Diventar grandi in un tempo piccolo
Tra i misteri più affascinanti per i cosmologi c'è la presenza di veri e propri mostri cosmici in un universo che non dovrebbe aver dato loro il tempo di crescere così tanto
I buchi neri supermassicci sono oggetti celesti estremamente densi, con una massa milioni o miliardi di volte superiore a quella del nostro Sole. La loro presenza è stata rilevata anche in galassie molto antiche, risalenti a quando l'universo era ancora molto giovane, e proprio queste presenze hanno aperto un dibattito, diversi anni fa, sul "come" questi giganti cosmici possano essere cresciuti così rapidamente nei primi anni di vita dell'universo.
Si tratta di un enigma affascinante e complesso, poiché il loro accumulo di massa sembra sfidare le attuali teorie di formazione e crescita visto che la teoria classica di crescita di buchi neri, regolata dal cosiddetto limite di Eddington, sembrerebbe non fornire un supporto teorico a questa presenza. Buchi neri che non dovrebbero esistere, ma non lo sanno ed esistono lo stesso.
Il Limite di Eddington
Il limite di Eddington descrive la massima luminosità con cui un oggetto massivo come un buco nero può accrescere materia in equilibrio, senza espellere il materiale a causa della radiazione che emette. Questo limite è particolarmente importante per i buchi neri e regola la loro velocità di accrescimento di massa.
Equilibrio delle Forze
Il limite di Eddington si basa su un equilibrio tra due forze opposte:
- Attrazione gravitazionale: la gravità dell’oggetto massivo attira la materia verso il centro.
- Pressione di radiazione: la radiazione emessa dalla materia in accrescimento esercita una forza opposta, spingendo il gas verso l’esterno.
Consideriamo una particella di massa \( m \) situata a una distanza \( r \) dall’oggetto massivo di massa \( M \). La forza gravitazionale che agisce su questa particella è:
\[ F_\text{grav} = \frac{G M m}{r^2} \]
La forza dovuta alla pressione di radiazione dipende dalla luminosità \( L \) dell’oggetto e dalla sezione d’urto \( \sigma \) della particella per la radiazione (per gli elettroni, si usa la sezione d'urto di Thomson, indicata con \( \sigma_T \)). La forza di radiazione sulla particella è:
\[ F_\text{rad} = \frac{L \sigma}{4 \pi r^2 c} \]
Il Limite di Eddington si raggiunge quando la forza gravitazionale e la forza di radiazione sono in equilibrio, cioè:
\[ \frac{G M m}{r^2} = \frac{L \sigma}{4 \pi r^2 c} \]
Semplificando i termini e risolvendo per \( L \), otteniamo la Luminosità di Eddington:
\[ L_\text{Edd} = \frac{4 \pi G M m_p c}{\sigma_T} \]
dove \( m_p \) è la massa della particella (in genere l’elettrone) che subisce la forza di radiazione.
Nel caso di un buco nero di massa \( M \), la luminosità di Eddington è spesso espressa in funzione della massa solare \( M_\odot \):
\[ L_\text{Edd} \approx 1.3 \times 10^{38} \left( \frac{M}{M_\odot} \right) \, \text{erg/s} \]
Questa è la luminosità massima che il buco nero può sostenere in modo stabile. Se la luminosità di accrescimento supera \( L_\text{Edd} \), la pressione di radiazione tende a espellere il gas in eccesso, limitando l’accrescimento.
Tasso di Accrescimento di Massa Massimo (\( \dot{M} \))
Il Limite di Eddington determina anche un tasso massimo di accrescimento di massa, \( \dot{M}_\text{Edd} \), per il buco nero. La relazione tra \( L_\text{Edd} \) e il tasso di accrescimento di massa massimo è:
\[ L_\text{Edd} = \eta \dot{M}_\text{Edd} c^2 \]
dove \( \eta \) è l’efficienza di conversione della massa in energia nel processo di accrescimento (tipicamente intorno al 10% per dischi di accrescimento intorno a buchi neri). Risolvendo per \( \dot{M}_\text{Edd} \), otteniamo:
\[ \dot{M}_\text{Edd} = \frac{L_\text{Edd}}{\eta c^2} \]
Questo rappresenta il massimo tasso di massa che un buco nero può accrescere rispettando il Limite di Eddington.
I Soci di AstronomiAmo possono rivedere, sul tema, molte dirette nell'ambito del ciclo Galassie e AGN (dopo aver effettuato il login)
Arthur Eddington chi?
Qualche riga per conoscere l'autore di questo limite, la cui influenza va avanti da un secolo
Arthur Eddington (1882–1944) è stato un fisico e astronomo britannico di grande importanza, noto per il suo lavoro pionieristico sulla teoria della relatività generale di Albert Einstein e per le sue ricerche sul comportamento della luce e sulla struttura delle stelle.
In particolare,
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Relatività generale: Eddington è celebre per aver confermato la teoria della relatività generale di Einstein, in particolare osservando personalmente un'eclissi solare nel 1919. Durante quest'eclisse, misurò la deflessione della luce delle stelle da parte del campo gravitazionale del Sole, come previsto dalla teoria di Einstein. Questa osservazione diede una prova sperimentale decisiva della relatività generale e consolidò la fama di Einstein. Il viaggio per vedere l'eclisse, in una remota località in Africa occidentale, fu un'impresa logistica straordinaria, e la riuscita dell'esperimento lo trasformò in un eroe scientifico. Nonostante ciò, il lavoro fu anche complicato, e ci furono critiche al fatto che le misurazioni non fossero perfette, ma la sua convinzione nella teoria di Einstein non vacillò mai. Abbiamo dedicato un webinar proprio a questa eclisse e al lavoro di Eddington.
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Teoria della struttura stellare: Eddington fece anche avanzamenti cruciali nella comprensione della fisica delle stelle. Lavorò sul modello di struttura stellare, suggerendo che le stelle producono energia tramite il processo di fusione nucleare all'interno dei loro nuclei, un'idea che sarebbe stata confermata decenni dopo.
Eddington era noto per la sua profonda fede quacchera, che influenzò anche la sua visione del mondo scientifico. Era convinto che la scienza e la religione potessero coesistere senza contraddizioni, sebbene la sua visione della religione fosse incentrata più sulla filosofia che sulla dogmaticità. Questo approccio bilanciato lo rese una figura interessante, poiché era scientifico ma anche profondamente spirituale.
Eddington ebbe una grande influenza anche come divulgatore scientifico. Scrisse diversi libri, tra cui "The Nature of the Physical World" (1928), che spiegava le implicazioni filosofiche delle scoperte moderne in fisica, rendendole comprensibili anche al grande pubblico. Questo approccio lo rese una figura rispettata, anche tra coloro che non erano esperti di fisica teorica.
Come spiegare le osservazioni?
Come possiamo spiegare la presenza di masse così enormi in un universo troppo giovane per averle create?
Per spiegare come i buchi neri supermassicci possano formarsi e crescere così rapidamente, sono state proposte diverse teorie, tra cui:
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Direct Collapse Black Holes
Secondo questa ipotesi, i buchi neri supermassicci non si ssono formati a partire da stelle massicce, come i buchi neri stellari "normali", ma da collassi diretti di nubi di gas massicce. In determinate condizioni, grandi quantità di gas possono collassare direttamente in un buco nero di massa intermedia (circa 104−106 masse solari), senza passare dalla formazione di una stella. Questo accelererebbe la crescita poiché partirebbe da un "seme" molto più massiccio, riducendo il tempo necessario per raggiungere lo stato di buco nero supermassiccio. -
Accrescimento super-Eddington
È possibile che alcuni buchi neri possano crescere oltre il limite di Eddington per brevi periodi. Si ipotizza che, in particolari condizioni, l’accrescimento possa superare questo limite senza espellere tutto il materiale in eccesso, soprattutto se il materiale in accrescimento ha una forma "discoide" o fortemente asimmetrica. -
Fusioni di buchi neri
Nell’universo giovane, le galassie erano più piccole e le fusioni galattiche più frequenti. Le fusioni tra galassie portano a interazioni e fusioni tra i rispettivi buchi neri centrali, aumentando rapidamente la massa del buco nero risultante. Questo scenario, tuttavia, richiede già la presenza di buchi neri di massa intermedia e non spiega completamente l’origine di buchi neri inizialmente così grandi se non con le prime supernovae. -
Collasso di ammassi stellari densi
Un’altra teoria suggerisce che, in alcuni ambienti molto densi dell’universo primordiale, ammassi stellari interi possano collassare insieme per formare buchi neri di grande massa. Questi ammassi di stelle, in condizioni di alta densità e bassa dispersione di energia, potrebbero dar vita a buchi neri di massa significativa che, con l’accrescimento successivo, raggiungerebbero rapidamente dimensioni supermassicce. -
Accrescimento di buchi neri primordiali: Alcuni modelli prevedono l'esistenza di buchi neri primordiali, formati subito dopo il Big Bang, che avrebbero poi agito come "semi" per la crescita dei buchi neri supermassicci.
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Teorie alternative e materia oscura
Alcune teorie più speculative prendono in considerazione interazioni con la materia oscura o la presenza di particelle esotiche che potrebbero influire sulla crescita dei buchi neri. Anche se non esistono prove definitive, alcuni modelli ipotizzano che la materia oscura possa contribuire all’accrescimento fornendo ulteriore "carburante" o creando condizioni particolari per il collasso del gas.
LID-568: possibile spallata alla "dieta" di Eddington
Osservazioni attraverso il JWST hanno portato alla luce una galassia il cui buco nero sembra "sforare" nettamente la dieta imposta da Eddington
Un team di astronomi, guidato da Hyewon Suh e con fortissima presenza italiana (tra i quali la nostra cara conoscenza Roberto Decarli), ha fatto una scoperta molto interessante utilizzando il Telescopio Spaziale James Webb (JWST): si tratta di un buco nero supermassiccio, denominato LID-568, che si starebbe alimentando a una velocità 40 volte superiore al limite di Eddington.
LID-568 si trova in una galassia formatasi appena 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang e la sua scoperta si colloca proprio nel mezzo del contesto che abbiamo anticipato nella premessa, relativamente alla formazione e all'evoluzione dei buchi neri supermassicci nell'universo primordiale.
Grazie alla sua sensibilità infrarossa, il JWST ha permesso agli astronomi di rilevare l'intensa emissione di raggi X di LID-568, che sarebbe stata impossibile da osservare con altri telescopi. Lo spettrografo a campo integrale del JWST ha rivelato la presenza di potenti deflussi di gas attorno al buco nero, suggerendo che una parte significativa della sua massa è stata acquisita in un unico episodio di accrescimento rapido.
La scoperta di LID-568 ha importanti implicazioni per le teorie sulla formazione dei buchi neri supermassicci poiché suggerisce che una parte significativa della crescita potrebbe avvenire in episodi di accrescimento estremamente rapidi, superando il limite di Eddington.
Gli astronomi ipotizzano che i potenti deflussi di gas osservati in LID-568 possano agire come una valvola di sicurezza, permettendo al buco nero di espellere l'energia in eccesso e di continuare ad accrescere materia a un ritmo elevato.
Articolo originale: A super-Eddington-accreting black hole ~1.5 Gyr after the Big Bang observed with JWST, Nature Astronomy - 2024).
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