Negli ultimi anni, abbiamo finalmente catturato foto reali di queste spaventose creature e misurato le loro onde gravitazionali – increspature nello spaziotempo – che creano quando entrano in collisione. Ma c’è ancora molto che non sappiamo sui buchi neri. Uno dei più grandi enigmi è esattamente come si formano in primo luogo.
I miei colleghi ed io ora crediamo di aver osservato questo processo, fornendo alcune delle migliori indicazioni finora su cosa succede esattamente quando si forma un buco nero. I nostri risultati sono pubblicati in due articoli su Nature e l’Astrophysical Journal.
Gli astronomi ritengono, sia su basi osservative che teoriche, che la maggior parte dei buchi neri si formi quando il centro di una stella massiccia collassa alla fine della sua vita. Il nucleo della stella normalmente fornisce pressione, o supporto, usando il calore di intense reazioni nucleari. Ma una volta che il carburante di una tale stella è esaurito e le reazioni nucleari si fermano, gli strati interni della stella collassano verso l’interno per la forza di gravità, schiacciandosi fino a densità straordinarie.
Il più delle volte, questo collasso catastrofico viene interrotto quando il nucleo della stella si condensa in una solida sfera di materia, ricca di particelle chiamate neutroni. Questo porta a una potente esplosione di rimbalzo che distrugge la stella (una supernova) e lascia dietro di sé un oggetto esotico noto come stella di neutroni. Ma i modelli di stelle morenti mostrano che se la stella originale è abbastanza massiccia (40-50 volte la massa del Sole), il collasso continuerà semplicemente senza sosta finché la stella non sarà schiacciata in una singolarità gravitazionale: un buco nero.
Teorie esplosive
Mentre le stelle che collassano per formare stelle di neutroni sono ora osservate di routine in tutto l’universo (le indagini sulle supernove ne trovano dozzine di nuove ogni notte), gli astronomi non sono ancora del tutto sicuri di cosa accada durante il collasso di un buco nero. Alcuni modelli pessimisti suggeriscono che l’intera stella verrebbe inghiottita senza lasciare traccia. Altri propongono che il crollo di un buco nero produrrebbe un altro tipo di esplosione.
Ad esempio, se la stella sta ruotando al momento del collasso, parte del materiale in caduta potrebbe essere concentrato in getti che sfuggono alla stella ad alta velocità. Anche se questi jet non conterrebbero molta massa, gli effetti potrebbero essere piuttosto drammatici in termini di energia rilasciata.
Finora, il miglior candidato per un’esplosione dalla nascita di un buco nero è stato lo strano fenomeno noto come lampi di raggi gamma di lunga durata. Scoperti per la prima volta negli anni ’60 dai satelliti militari, è stato ipotizzato che questi eventi derivino da getti accelerati a velocità da capogiro da buchi neri di nuova formazione nelle stelle che collassano. Tuttavia, un problema di vecchia data con questo scenario è che i lampi di raggi gamma espellono anche abbondanti detriti radioattivi che continuano a brillare per mesi. Ciò suggerisce che la maggior parte della stella è esplosa nello spazio (come in una normale supernova), invece di collassare verso l’interno in un buco nero.
Anche se questo non significa che un buco nero non possa essersi formato in una tale esplosione, alcuni hanno concluso che altri modelli forniscono una spiegazione più naturale per i lampi di raggi gamma rispetto alla formazione di un buco nero. Ad esempio, una stella di neutroni supermagnetizzata potrebbe formarsi in una tale esplosione e produrre potenti getti.
Mistero risolto?
I miei colleghi ed io, tuttavia, abbiamo recentemente scoperto un nuovo e (a nostro avviso) un evento candidato migliore per la creazione di un buco nero. In due diverse occasioni negli ultimi tre anni – una nel 2019 e una nel 2021 – abbiamo assistito a un tipo di esplosione eccezionalmente veloce e fugace che, proprio come nei lampi di raggi gamma, ha avuto origine da una piccola quantità di materiale in rapido movimento.
Usando la spettroscopia, una tecnica che scompone la luce in diverse lunghezze d’onda, potremmo dedurre la composizione della stella che è esplosa per ciascuno di questi eventi. Abbiamo scoperto che lo spettro era molto simile alle cosiddette “stelle di Wolf-Rayet“, un tipo di stella molto massiccia e altamente evoluta, dal nome dei due astronomi, Charles Wolf e Georges Rayet, che per primi le rilevarono. Incredibilmente, siamo stati persino in grado di escludere una “normale” esplosione di supernova. Non appena la collisione tra il materiale veloce e il suo ambiente cessò, la sorgente praticamente svanì, piuttosto che brillare per molto tempo.
Questo è esattamente ciò che ti aspetteresti se, durante il collasso del suo nucleo, la stella espellesse solo una piccola quantità di materiale con il resto dell’oggetto che collassasse verso il basso in un enorme buco nero.
Sebbene questa sia la nostra interpretazione preferita, non è l’unica possibilità. La più prosaica è che si è trattato di una normale esplosione di una supernova, ma nella collisione si è formato un vasto guscio di polvere, che nascondeva alla vista i detriti radioattivi. È anche possibile che l’esplosione sia di un tipo nuovo e sconosciuto, originata da un tipo di stella che non conosciamo.
Per rispondere a queste domande, dovremo cercare più oggetti di questo tipo. Finora questo tipo di esplosioni è stato difficile da studiare perché fugaci e difficili da trovare. Abbiamo dovuto utilizzare diversi osservatori insieme in rapida successione per caratterizzare queste esplosioni: lo Zwicky Transient Facility per scoprirle, il Liverpool Telescope e il Nordic Optical Telescope per confermarne la natura, e grandi osservatori ad alta risoluzione (Hubble Space Telescope, Gemini Observatory, e il Very Large Telescope) per analizzarne la composizione.
Anche se inizialmente non sapevamo esattamente cosa stavamo vedendo quando abbiamo scoperto questi eventi per la prima volta, ora abbiamo un’ipotesi chiara: la nascita di un buco nero.
Più dati da eventi simili potrebbero presto aiutarci a verificare o falsificare questa ipotesi e stabilire il collegamento con altri tipi di esplosioni rapide e insolite che il nostro team e altri hanno trovato. Ad ogni modo, sembra che questo sia davvero il decennio in cui sveliamo i misteri dei buchi neri.
Autore
Daniel Perley, Università John Moores di Liverpool
