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Da stelle giganti a buchi neri supermassicci

Uno dei misteri più grandi dell’astrofisica moderna è quello di capire come i buchi neri supermassicci, esistiti durante le fasi primordiali della storia cosmica, hanno raggiunto le loro enormi dimensioni. In uno studio recente, pubblicato su Astrophysical Journal, un gruppo di ricercatori esamina la possibilità che questi enigmatici oggetti si siano formati direttamente dal collasso gravitazionale di stelle supermassicce.

La figura illustra un momento di una simulazione relativa al collasso gravitazionale di una stella massiccia che genera un gamma-ray burst. Il presente studio recente suggerisce che tali eventi potrebbero accadere su più larga scala nell’Universo distante. Credit: NASA/SkyWorks Digital

I buchi neri supermassicci che possono raggiungere miliardi di volte la massa del Sole si osservano all’epoca in cui l’Universo aveva un’età inferiore a un miliardo di anni. Questa, però, non è un’epoca alquanto sufficiente affinchè un buco nero di massa stellare possa evolvere fino a diventare un buco nero supermassiccio per accrescimento. Dunque, è necessaria un’altra teoria per spiegare la presenza di questi “mostri” dell’Universo delle origini. Un nuovo studio, guidato da Tatsuya Matsumoto della Kyoto University, in Giappone, pone la seguente domanda: e se le stelle supermassicce primordiali fossero collassate direttamente per formare i buchi neri? Studi precedenti della formazione stellare relative alle fasi iniziali della storia cosmica suggeriscono che in questi ambienti così caldi e peculiari le stelle possono essere state capaci di accumulare una grande quantità di massa più velocemente di quanto sono in grado di fare le rispettive controparti oggi. Ciò potrebbe aver creato delle stelle supermassicce primordiali con una massa circa 100 mila volte superiore a quella del Sole. Ma se queste gigantesche stelle primordiali terminano il loro ciclo vitale per collasso gravitazionale trasformandosi in buchi neri massivi, allo stesso modo con cui crediamo oggi che le stelle massive possano collassare per formare un buco nero di massa stellare, ciò dovrebbe produrre esplosioni stellari estremamente violente.

A tal fine, Matsumoto e collaboratori hanno costruito dei modelli per descrivere questo processo in modo da capire ciò che ci aspetteremmo di vedere se dovesse accadere questo fenomeno di alta energia. Gli autori hanno studiato le fasi evolutive delle stelle supermassicce prima del collasso gravitazionale e poi hanno verificato se si forma un getto che emerge dall’inviluppo stellare quando si forma il buco nero al centro del sistema stellare che sta collassando. Gli scienziati hanno dimostrato che il processo funziona in maniera simile al modello più comunemente accettato di collapsar, cioè del del collasso gravitazionale di una stella massiccia, in cui si forma un getto che rilascia una enorme quantità di energia sotto forma di raggi gamma (Gamma-Ray Burst, GRB). Poichè la durata temporale di un GRB si ritiene sia proporzionale al tempo scala durante il quale collassa il nucleo stellare, il collasso gravitazionale di queste stelle supermassicce dovrebbe produrre GRB di lunga durata rispetto a quelli tipici prodotti dalle stelle massive oggi: in altre parole, invece di avere una durata tipica di 30 secondi per un classico GRB, questi ultra GRB dovrebbero durare almeno 104 – 106 secondi. Cosa ancora più interessante è che sono già stati rivelati un numero minimo di GRB di durata molto lunga: essi rappresentano una sorta di “coda terminale” della distribuzione dei GRB di lunga durata. La domanda è: questi segnali potrebbero essere davvero associati al collasso gravitazionale di stelle supermassicce primordiali? Secondo la stima ottimistica elaborata degli autori del presente studio, i risultati suggeriscono che potremmo essere in grado di rivelare un evento di questo tipo per anno, perciò è completamente possibile che si tratti di GRB di lunga durata.

Astrophysical Journal: CAN DIRECT COLLAPSE BLACK HOLES LAUNCH GAMMA-RAY BURSTS AND GROW TO SUPERMASSIVE BLACK HOLES?
arXiv: Can direct collapse black holes launch gamma-ray bursts and grow to supermassive black holes?