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Scienza, svelata la formazione dei buchi neri supermassivi

La formazione dei buchi neri supermassivi è stato finora un problema irrisolto. Un team internazionale guidato da Lucio Mayer, professore di astrofisica teorica all' Università di Zurigo (con un dottorato di ricerca ottenuto presso L'Università di Milano-Bicocca nel 2001), ha potuto mostrare per la prima volta, con l'ausilio di simulazioni su potenti supercomputers, che i buchi neri supermassivi si formano dopo il Big Bang per effetto di collisioni tra galassie primordiali. Il risultato ha importanti implicazioni per la nostra comprensione di come funziona la gravità, per la formazione delle strutture cosmiche in genere cosi come per la comprensione delle onde gravitazionali.

Lucio Mayer, professore di astrofisica teorica dell'Università di Zurigo, e il suo team sono soddisfatti di aver svelato come si formano i primi buchi neri supermassivi. Si sono formati circa 13 miliardi di anni fa, quindi poco dopo il Big Bang. Questo nuovo risultato segna un'importante svolta nella comprensione dell'Universo. Esso è di grande importanza per la comprensione della gravitazione e della formazione di strutture cosmiche. Nel loro articolo sulla prestigiosa rivista scientifica "Nature" Lucio Mayer e i suoi colleghi descrivono le loro simulazioni su supercomputers con cui hanno modellato la formazione delle galassie e dei buchi neri supermassivi durante il primo miliardo di anni di vita dell'Universo.

Allo stato attuale delle nostre conoscenze l'eta' dell'Universo è di poco meno di 14 miliardi di anni. Vari gruppi di ricerca internazionali hanno mostrato recentemente come le galassie massive si formino prima di quanto ci si aspettasse in base alle previsioni teoriche, cioè gia' entro il primo miliardo di anni di vita dell'Universo. Le simulazioni su supercomputers di Mayer e colleghi mostrano che i primi buchi neri supermassivi si sono formati per effetto delle collisioni di queste prime galassie massive e della loro successiva fusione.

Da piu' di vent'anni gli astrofisici hanno perfezionato il modello attuale di formazione di strutture cosmiche, in cui le galassie si formano in modo gerarchico; la gravita' prima fa collassare le galassie piu' piccole dentro aloni di materia oscura, e queste formano via via quelle piu' grandi collidendo e coalescendo tra di loro.

I ricercatori dell' Università di Zurigo hanno ribaltato questo concetto; dice Mayer "il nostro risultato mostra come le strutture grandi come galassie massive e buchi neri supermassivi si formano presto nella storia dell'Universo. A prima vista questo sembrerebbe in contrasto con la teoria cosmologica prevalente, che prevede la formazione di strutture e galassie in modo gerarchico in un Universo dominato da materia oscura fredda."

L'apparente paradosso è chiarito subito da Lucio Mayer: "La materia ordinaria, cosi' detta barionica, di cui noi stessi e la materia luminosa dell'Universo siamo fatti, incluse le componenti visibile delle galassie, collassa di piu e piu velocemente della materia oscura, formando rapidamente galassie molto massive nelle regioni piu' dense dell'Universo, in cui la gravità comincia prima a generare strutture. Questo produce l'apparente formazione non-gerarchica delle galassie massive e dei buchi neri supermassivi."

Le piu' grosse galassie e i buchi neri supermassivi crescono rapidamente. Invece, galassie di media e piccola taglia, come la nostra Via Lattea e il suo relativamente modesto buco nero centrale (solo un milione di masse solari contro 1 miliardo di masse solari dei buchi neri simulati da Mayer e colleghi), si sono formate piu' lentamente. Come spiega Lucio Mayer, nell'Universo attuale i discendenti delle galassie riprodotte nelle sue simulazioni corrispondono alle piu' grosse galassie conosciute, centinaia di volte piu' pesanti e luminose della Via Lattea. Un esempio è quello di M87, la gigantesca galassie ellittica centrale dell'ammasso di galassie della Vergine, a 54 milioni di anni luce da noi.

I ricercatori iniziano le loro simulazioni con due galassie massive come quelle scoperte dagli astronomi negli ultimi anni, e successivamente le fanno collidere e coalescere. Grazie alla potenza del supercomputer Zbox3 dell'Universita' di Zurigo e del Beowulf cluster Brutus all'ETH di Zurigo, i ricercatori hanno potuto mostrare cio' che non era stato possibile fino ad ora; per prima cosa il gas e la polvere condensano al centro della nuova galassia formatasi dalla collisione, generando una grande nube al suo centro. Questa diventa subito instabile, cosi' che il gas e la polvere colassano ulteriormente, formando una nube ancora piu' densa che successivamente collasserà direttamente in un buco nero supermassivo sotto il peso della sua enorme gravità, senza formare prima una stella.

La nuova scoperta ha importanti conseguenze per la cosmologia; l'assunzione che la correlazione osservata dagli astronomi tra la masse dei buchi neri supermassivi e la massa delle galassie in cui si trovano rispecchia il fatto che galassie e buchi neri supermassivi crescono in parallelo, regolando l'una la crescita dell'altro, dovrà essere rivista. In base al nuovo modello la crescita del buco nero supermassivo non è regolata da quella della galassia. Piuttosto sarebbe la crescita della galassia a essere regolata dal buco nero centrale.

Mayer e i suoi colleghi pensano anche che la loro ricerca sara' utile anche per quei fisici che vogliono provare l'esistenza delle onde gravitazionali e con esse verificare direttamente la Teoria della Relativita' Generale di Einstein. Una delle conseguenze di tale teoria, elaborata da Einstein che ottennne il dottorato di ricerca nel 1906 proprio all'Università di Zurigo, è che la fusione di buchi supermassivi dovrebbe produrre le onde gravitazionali piu intense nel continuum spazio-temporale, le quali oggi potrebbero essere misurate. Infatti i progetti LISA e LISA Pathfinder dell'Agenzia Spaziale Europea e della NASA, in cui sono coinvolti anche fisici dell'Università di

Zurigo, hanno proprio l'obiettivo di rivelare tali onde gravitazionali. Per interpretare correttamente i risultati di questi futuri esperimenti un elemento cruciale è proprio la comprensione di come si formano tali buchi neri supermassivi agli albori dell'Universo.

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