Strani buchi neri potrebbero custodire i segreti dell'universo primordiale.

Il cuore della nostra galassia è un mostro ingordo. Come il mitico Kammapa del popolo Sotho dell'Africa meridionale, il buco nero supermassiccio centrale della Via Lattea ha inghiottito quasi tutto intorno a sé, diventando sempre più pesante quanto più mangia. E non è solo. Buchi neri del peso di migliaia, milioni o addirittura miliardi di soli si trovano al centro di quasi tutte le galassie massive conosciute.

Per decenni, gli scienziati hanno pensato che fosse l'unico luogo in cui avrebbero trovato tali giganti, perché solo le galassie massive avevano abbastanza materiale per soddisfare gli appetiti eccessivi dei mostri. Ma circa due decenni fa, le simulazioni al computer dei primi buchi neri hanno iniziato a rivelare stranezze: grandi buchi neri che non erano esattamente dove ci si aspettava. Molti scienziati hanno pensato che queste anomalie fossero solo casualità, respingendo i risultati senza ulteriori riflessioni.

Ma altri non erano così sicuri che questi elementi anomali dovessero essere esclusi. Se le osservazioni mostrassero che questi insoliti buchi neri esistono nell'universo vicino, questi astrofisici hanno speculato, potrebbero essere indizi inesplorati della gioventù e dell'adolescenza dell'universo.

"Possiamo, in modo strano, [apprendere] l'inizio super dell'universo guardando cose molto vicine a noi", afferma la teorica astrofisica Jillian Bellovary del Queensborough Community College di New York City.

L'idea è rimasta solo un'idea per anni. Ma ora, l'esistenza di questi elementi anomali non è così facile da ignorare. Gli astronomi hanno scoperto segni di un numero di buchi neri inaspettatamente massicci nelle galassie più piccole dell'universo e, sorprendentemente, alcuni di quei buchi neri non sembrano essere al centro delle loro galassie. Ancora più intrigante, gli astronomi hanno individuato prove di buchi neri che vagano ai margini delle loro galassie e, in casi rari, che vengono espulsi dalle loro case nello spazio intergalattico.

Forse questi buchi neri non sono semplicemente non conformisti cosmici, ma invece protagonisti nella storia del nostro universo. Se così fosse, sarebbero uno strumento per indagare uno dei più grandi misteri dell'astrofisica: come sono nati i Kammapa cosmici che vediamo oggi.

"Senza capire cosa stanno facendo i buchi neri, non si può capire l'evoluzione delle galassie", afferma Xiaohui Fan, cosmologo presso l'Università dell'Arizona a Tucson, rendendo impossibile spiegare il paesaggio dell'universo.

La nostra attuale comprensione cosmologica di come i buchi neri siano diventati così grandi funziona così: quando le galassie crescono, collidono e si fondono nel tempo cosmico, assumono nuove stelle, gas e polvere. I buchi neri al centro delle galassie crescono di pari passo, espandendosi mentre si uniscono l'uno con l'altro e si nutrono del materiale appena acquisito. Una stima approssimativa pone il peso di un buco nero supermassiccio a circa una millesima della massa della propria galassia di appartenenza.

In questo scenario, le galassie più piccole dell'universo, chiamate galassie nane, probabilmente non hanno subito molte fusioni in passato. Con un peso di soli circa un trilionesimo della massa della Via Lattea, dovrebbero avere buchi neri relativamente piccoli o nessuno affatto.

Ma alla fine degli anni '2000, l'astrofisica Marta Volonteri dell'Institut d'Astrophysique de Paris presso l'Università della Sorbona ha contribuito a eseguire simulazioni al computer che hanno seguito l'evoluzione dei buchi neri massicci dalla nascita ai giorni nostri. In quegli sforzi, quasi non appena sono apparsi, anche le galassie più piccole potrebbero avere buchi neri sorprendentemente grandi. Con il passare del tempo, alcune di quelle galassie non sono mai cresciute o si sono fuse con altre, lasciandole integre dopo miliardi di anni di evoluzione cosmica.

Un'idea selvaggia è venuta in mente a Volonteri e ai suoi colleghi: queste galassie e i loro buchi neri sono reliquie della nascita dell'universo. Se i buchi neri massicci nelle galassie nane esistessero e se gli astronomi potessero trovarli, quei buchi neri sarebbero una finestra senza precedenti su come si sono formati i primi buchi neri.

I primi segnali che esistono sono venuti da una scoperta fortuita dell'astronoma Amy Reines. Più di un decennio fa, era ancora una studentessa universitaria all'Università della Virginia a Charlottesville, studiando i dati del telescopio su una galassia nana a 30 milioni di anni luce dalla Terra. Era ricca di stelle e Reines cercava di saperne di più su come nascono queste palle di gas caldo.

Inizialmente, Reines ha esaminato i dati della galassia, chiamata Heinz 2-10, nei raggi X e nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso vicino. Ha notato un sonaglio cosmico, un ponte di gas lungo circa 300 anni luce che collegava due palle polverose che avvolgevano stelle di nuova formazione. Una ricerca più approfondita dei dati ha rivelato emissioni radio estreme proprio al centro del sonaglio, insieme a brillanti raggi X provenienti dallo stesso punto, segni di un enorme buco nero con una massa di un milione di soli.

"Non avevo mai visto niente del genere", dice Reines, che ora si trova alla Montana State University di Bozeman. Anche lei aveva supposto che le galassie nane non dovessero avere buchi neri grandi. È rimasta scettica sulla sua interpretazione fino a quando, qualche mese dopo, ha partecipato a un evento a Seattle alla riunione della Società Astronomica Americana del 2011.

È stato lì che Bellovary, in quel momento una ricercatrice post-dottorato presso l'Università del Michigan ad Ann Arbor e collaborando con Volonteri, ha presentato nuove simulazioni sulla formazione delle galassie. Bellovary ha descritto la formazione di galassie con una gamma di masse e storie, e ha discusso di come i risultati potessero fare previsioni su come i buchi neri giganti sono sparsi in tutto l'universo.

Come il lavoro precedente di Volonteri, le simulazioni di Bellovary suggerivano che le grandi galassie non erano le uniche a ospitare buchi neri grandi; anche le galassie magre potrebbero averli.

In una sessione alla stessa riunione, Reines ha evidenziato la sua scoperta della galassia nana Henize 2-10 e del suo buco nero inusitatamente grande. Come due buchi neri che si orbitano e poi si scontrano, simulazioni al computer inaspettate hanno incontrato osservazioni del mondo reale altrettanto inaspettate.

Il lavoro combinato suggeriva che non solo le grandi galassie hanno grandi buchi neri, ma forse anche la maggior parte delle galassie, dice Fan. E questo ha sollevato molte nuove domande su come crescono i buchi neri e le galassie insieme.

Dopo aver ascoltato la presentazione di Bellovary e pubblicato le sue scoperte, Reines ha spostato il suo focus di ricerca dalla nascita delle stelle alla ricerca di buchi neri grandi. I giganti l'hanno attirata. Ha avviato uno sforzo per cercarli nelle galassie nane. Come altri astronomi, ha deciso di scrutare il cielo alla ricerca degli anelli di briciole cosmiche che bruciano intensamente attorno ai buchi neri alimentanti al centro delle galassie - nuclei galattici attivi. Era lì che dovrebbero essere i buchi neri, ha presumuto. "Voglio dire, è nel nome, nuclei galattici attivi", spiega.

Reines ha esaminato i dati del Sloan Digital Sky Survey alla ricerca delle firme della luce visibile dei buchi neri centrali. Dei circa 25.000 galassie nane nella sua analisi, 151 sembravano ospitare un grande buco nero, riporta lei e i suoi colleghi nel 2013.

Volonteri dice di esser stata entusiasta dei risultati. Hanno convalidato la sua idea originale che le galassie nane potessero avere buchi neri veramente grandi e, forse, che quei buchi neri potessero dirci qualcosa sui primi buchi neri.

Una chiave potrebbe essere nelle masse dei buchi neri delle galassie nane. Le due idee principali su come si sono formati i primi buchi neri creano buchi neri di masse diverse. Un'idea suppone che questi buchi neri si siano formati dalla rottura delle prime stelle e tenderebbero ad essere relativamente leggeri. L'altra idea suggerisce che i primi buchi neri si siano formati dal collasso diretto di gigantesche nuvole di gas e sarebbero più pesanti. Se l'idea della nuvola di gas è corretta, potrebbe spiegare un altro enigma cosmico: come i buchi neri dell'universo primordiale si sono ingranditi così velocemente. "Li osserviamo ed sono già enormi", dice Bellovary. Se la storia dell'universo fosse mostrata su un orologio, questi mostri avrebbero solo pochi secondi per formarsi, spiega.

Se i grandi buchi neri delle galassie nane sono effettivamente reliquie antiche dell'universo primordiale, le loro masse dovrebbero essere simili alle masse dei primi buchi neri. In tal caso, potrebbero aiutare a spiegare come si sono formati i semi di alcuni dei buchi neri più pesanti che vediamo oggi.

Secondo una stima recente, il buco nero in Henize 2-10 pesa qualche milione di soli (SN: 9/11/21, p. 12). È un dato a favore dell'idea del collasso diretto della nuvola di gas, ma è solo una misura con molte ipotesi. Per ora, misurare le masse dei buchi neri non è un compito facile.

Nelle simulazioni al computer, i grandi buchi neri non appaiono solo al centro della galassia. Le simulazioni prevedono che questa galassia abbia molti nel suo alone (cerchi neri). I cinque più pesanti (arancioni) includono quattro che sono fuori equilibrio. Vedute in gas simulato e in raggi X mostrano come questi buchi neri potrebbero apparire agli astronomi in immagini del telescopio.

Felizmente, c'è un altro modo per ottenere un'idea delle masse dei primi buchi neri: dipende fortemente da un altro tipo di stranezza — grandi buchi neri che non si trovano esattamente al centro delle galassie nane.

Quando Bellovary ha condiviso le sue simulazioni nel 2011, l'idea di grandi buchi neri nelle galassie magre non era l'unica sorpresa. Il suo lavoro prevedeva anche che alcune Kammapas fossero fuori centro dai loro nuclei galattici, vagando sui bordi dei nani dopo aver fallito nel raggiungere i loro nuclei.

"Mi piace sempre pensare ai fuori dal coro, ai piccoli strambi respinti, ai non conformisti", dice Bellovary. Ha scelto di ripetere le sue simulazioni, zoomando sulle galassie più piccole. Quando l'ha fatto, ha scoperto che la metà dei buchi neri massicci delle galassie nane dovrebbe essere decentrata, come ha riportato all'inizio del 2019 in Monthly Notices of The Royal Astronomical Society.

Quasi a comando, alcuni mesi dopo Reines arrivò con delle osservazioni che rafforzavano le simulazioni di Bellovary. Utilizzando la rete di radiotelescopi di New Mexico chiamata Very Large Array, Reines e i colleghi analizzarono le emissioni provenienti da 111 galassie nane, di cui 13 avevano molto probabilmente grandi buchi neri. Di quei 13, alcuni sembravano essere posizionati decentrati rispetto ai nuclei delle rispettive galassie (SN: 6/22/19, p. 12).

Trovare i vagabondi è stato il jackpot. "Una volta che un buco nero comincia a vagare, non crescerà più di massa", dice Volonteri. I vagabondi a bassa massa dovrebbero corrispondere approssimativamente alla massa iniziale dei primi buchi neri, diventando un buon proxy per i semi che successivamente cresceranno in supermassicci buchi neri.

Sfortunatamente, la massa dei vagabondi è ancora più difficile da determinare rispetto alla massa dei Kammapas che si trovano nei nuclei delle galassie. Gli scienziati si stanno rivolgendo al numero complessivo dei vagabondi per cercare indizi. Se i primi buchi neri, i semi dei buchi neri supermassicci di oggi, si sono formati dal collasso diretto di enormi nuvole di gas che entrano in galassie, allora i vagabondi non dovrebbero essere molto comuni nelle galassie nane. Ciò è dovuto al fatto che la conversione della massa di una nuvola di gas in un buco nero massiccio è difficile e quindi ci si aspetta che sia un fenomeno raro, spiega Volonteri. Un modo più facile per la formazione dei primi buchi neri - tramite l'implosione delle prime stelle - porterebbe a molte più erranti.

Un altro possibile scenario che gli scienziati stanno considerando è se le fusioni di stelle o buchi neri in nuclei di galassie dense potrebbero aver creato i semi dei buchi neri supermassicci. Anche questo processo porterebbe a molti vagabondi. Ma questi buchi neri sarebbero leggermente più massicci dei buchi neri formati dall'implosione stellare.

Dato che compaiono continuamente segni di vagabondi, gli scienziati si stanno allontanando dall'idea del collasso diretto. Ma per avere una comprensione più accurata di come si sono formati i buchi neri massicci, i ricercatori hanno bisogno di censire i buchi neri vagabondi non solo nell'universo vicino, ma anche più nel passato, afferma Angelo Ricarte dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics di Cambridge, nel Massachusetts. Dobbiamo sapere se ciò che sta accadendo ora è simile a ciò che è accaduto in passato, poiché l'ambiente dell'universo primordiale era molto diverso.

"Mi piace sempre pensare ai fuori dal coro, ai piccoli strambi respinti, ai non conformisti".

Le galassie massicce sembrano avere dei vagabondi anche loro, alcuni che volano attraverso le loro galassie ospiti a dieci volte la velocità di quelli nelle galassie nane.

Ma gli scienziati non sono del tutto sicuri che questi buchi neri andati fuori controllo siano reali. Quando uno è comparso per la prima volta nelle simulazioni di Volonteri nel 2003, gli scienziati l'hanno respinto. I vagabondi sono riapparsi nelle simulazioni di Bellovary. La reazione? Scetticismo. E questo scetticismo è rimasto anche quando gli astronomi hanno annunciato segnali luminosi e brillanti di raggi X provenienti da possibili vagabondi.

Circa diversi anni fa, un'immagine del telescopio spaziale Hubble e dati di altri osservatori hanno offerto la prova di un buco nero con la massa di un miliardo di soli che era stato scacciato al limite della sua galassia (SN: 4/29/17, p. 16). E all'inizio di quest'anno, le immagini di Hubble e dell'Osservatorio Keck hanno rivelato la possibilità di una triforcazione di buchi neri supermassicci che interagiscono, con uno di essi che ha ricevuto così tanta spinta da essere stato espulso nello spazio intergalattico (SN: 4/8/23, p. 11). Ma un team separato propone che ciò che alcuni scienziati chiamano un buco nero vagabondo potrebbe invece essere una galassia vista di lato.

Volonteri continua a seguire ogni candidato vagabondo, insieme ad altri buchi neri fuori dal comune proposti dagli astronomi. Tutti devono in qualche modo rientrare nella nostra comprensione completa della storia dei buchi neri supermassicci, dice. E ancora una volta, con quale frequenza compaiono nelle osservazioni potrebbe fornire indizi sulla visione più completa.

Se le osservazioni mostrano che i vagabondi a movimento lento sono abbondanti, allora le collisioni e le fusioni di buchi neri molto grandi sono presumibilmente rare. I vagabondi a movimento lento non hanno interagito con altri buchi neri e quindi non hanno guadagnato zing aggiuntivo rispetto alle stelle intorno a loro. La storia che l'universo ci racconterebbe è che i buchi neri supermassicci che vediamo oggi non sono cresciuti attraverso ripetute fusioni. Ma, dice Volonteri, se ci sono molti buchi neri supermassicci che vengono sparati dai centri delle loro galassie verso i margini lontani, l'interazione dei buchi neri, comprese le fusioni, deve essere comune.

With a few dozen candidate oddballs in dwarf galaxies and only a few far-flung rogue candidates identified, the picture is not yet clear. What we do know, Fan explains, is that understanding cosmic evolution requires a good sense of the birth and evolution of the “dark sector” of galaxies — including black holes.

More observational evidence of oddballs would help, and more astronomers have joined the search. In 2021, a team including Reines and Mallory Molina of the University of Utah in Salt Lake City reported a new way to spot signs of massive black holes in dwarfs, specifically if the behemoths are feeding on gas and dust. The technique searches dwarfs for a red glow given off by an unusual type of iron. And a team from Dartmouth reported last year that very-high-energy X-rays may also reveal obscure behemoths.

Future observatories may aid in the hunt too. The Vera C. Rubin Observatory, located in Chile and slated to turn on next year, can sweep the skies looking for wanderers. And the next-generation Very Large Array, a proposed radio observatory, will be sensitive enough to spot signs of black holes in dwarf galaxies.

With the goal of detecting collisions of very massive black holes, the Laser Interferometer Space Antenna, or LISA, and the proposed Einstein Telescope may one day offer clues to how common cataclysmic black hole interactions are and have been.

Time and new technology will tell. For now, oddball black holes spark our imagination, prompting us to ask big questions and uncover new evidence in the pursuit of a deeper understanding of cosmic history. With each purported discovery, you can’t help but wonder: What else is hidden out there? Perhaps there are other oddities not yet discovered that could tie us to the earliest universe, Bellovary says, and reveal our cosmic origins. But only if we’re willing to chase the misfits and their stories.