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14 dicembre 2011

Astronomi Scoprono Come I Primi Buchi Neri Supermassicci Sono Nati Poco Dopo il Big Bang

L'immagine sopra appartiene alla simulazione MassiveBlack e mostra la struttura della densità del gas in cui si sono formati i primi buchi neri supermassicci. Il buco nero osservato qui è al centro dell'immagine e si sta nutrendo di freddi flussi di gas. Credit: Yu Feng


Un gruppo di ricercatori dell'Università Carnegie Mellon hanno scoperto cos'è che ha causato la rapidissima crescita dei buchi neri supermassicci nati nell'universo primordiale: una stabile e lunga dieta di gas freddo.
Le simulazioni fatte, completate grazie all'uso dei supercomputer dell'Istituto Nazionale per le Scienze Computazionali del Pittsburgh Supercomputing Center, sono state analizzate con con la tecnologia GigaPan e mostrano flussi di gas freddi che cadono incontrollate verso il centro dei primi buchi neri, facendoli crescere più rapidamente di qualsiasi altra cosa vista nell'universo. Le loro scoperte sono state pubblicate sull'Astrophysical Journal Letters.

Non molto dopo la nascita dell'Universo, tra 700 e 800 milioni di anni dopo, la maggior parte delle cose presenti erano molto piccole. Le primissime stelle e galassie stavano emergendo in parti isolate dell'universo. Secondo le attuali teorie astrofisiche, i buchi neri presenti durante quest'era dovrebbero essere piccoli in proporzione alle galassie in cui si trovano. Tuttavia, recenti osservazioni del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) hanno mostrato che non è questo il caso. Enormi buchi neri supermassicci esistevano già solo 700 milioni di anni dopo il Big Bang.

"Il Sloan Digital Sky Survey ha scoperto i più antichi buchi neri supermassicci a meno 1 miliardo di anni dopo il Big Bang. Avevano la stessa dimensione dei buchi neri più massicci di oggi, che hanno 13.6 miliardi di anni." ha spiegato Tiziana Di Matteo, professoressa di fisicia presso l'Università Carnegie Mellon. "Era un vero puzzle. Perché alcuni buchi nero si sono formati così presto quando ci è voluta l'intera età dell'universo per formarne altri della stessa massa?"

I buchi neri supermassicci sono i buchi neri più grandi, che hanno masse di miliardi di volte più grande di quella del nostro Sole. I buchi neri tipici invece sono "soltanto" 30 volte più massicci del Sole. Gli astrofisici hanno determinato che i buchi neri supermassicci possono formarsi quando due galassie collidono ed i loro buchi neri più massicci si mischiano fino a dar vita ad un solo mostro. Ma queste collisioni hanno avuto luogo più tardi nella storia dell'Universo quando le galassie erano più comuni, e non quando erano poche, piccole ed isolate.

"Se si guardano le equazioni per come le galassie ed i buchi neri si sono venute a formare, non sembra possibile che queste enormi masse potrebbero essersi formate così presto" ha spiegato Rupert Croft, professore di fisica associato presso la Carnegie Mellon. "Tuttavia quando osserviamo il cielo le vediamo li."

Per scoprire esattamente come questi buchi neri supermassicci si sono formati, Di Matteo, Croft e Nishikanta Khandai, hanno creato la più grande simulazione cosmologia mai tentata sul primo miliardo di anni della storia dell'Universo. Questa simulazione si chiama "MassiveBlack".

"La simulazione è davvero gigantesca. E' la più grande in termini di livello di fisica e del volume. L'abbiamo creata perché eravamo interessati allo studio di alcune rarissime cose nell'universo, come i primissimi buchi neri. Dato che sono così rari, per studiarli dobbiamo osservare vastissimi volumi di spazio" ha spiegato la Dr. Di Matteo.

Hanno così iniziato l'elaborazione di simulazioni sotto le condizioni del modello standard ella cosmologia attuale. "Non abbiamo usato alcuna cosa strana. Non c'è alcuna fisica magica o cose extra. E' esattamente la stessa fisica che forma le galassie nelle simulazioni dell'universo attuale" ha spiegato Croft. "Ma magicamente, questi primordiali quasar appaiono nella simulazione così come li osserviamo davvero. Non sapevamo se sarebbero poi comparsi. E' stato incredibile poter misurare le loro masse! Sono esattamente della giusta dimensione e si trovano anche esattamente nel posto giusto e nel momento giusto. E' davvero la storia di un successo per la teoria moderna della cosmologia!"

Tre scatti diversi che mostrano dei buchi neri supermassicci al centro di diverse galassie a tre diversi momenti della storia dell'universo. La distribuzione del gas è codificata per temperatura (da blu a rosso). I fiumi di gas freddi sono visti in verde, e penetrano l 'alone di materia oscura (in blue) del buco nero (cerchio verde) al centro della galassia. Credit: MassiveBlack/Carnagie Mellon

I dati della loro simulazione sono stati incorporati in una nuova tecnologia sviluppata dai informatici e programmatori della Carnegie Mellon, che hanno creato la GigaPan Time Machine. Questa tecnologia ha permesso ai ricercatori di visualizzare la simulazione come se fosse un film. Potevano facilmente guardare all'interno universo simulato mentre questo si formava, zoomando verso certi eventi particolari e osservando dettagli maggiori di quelli che si potrebbero mai ottenere con un telescopio.

Zoomando verso la creazione dei primissimi buchi neri supermassicci hanno però visto qualcosa di inaspettato. Normalmente, quando il gas freddo fluisce verso un buco nero, questo collide con altro gas presente nella galassia circostante. Questo fa si che il gas freddo si riscaldi e si raffreddi nuovamente prima di entrare nel buco nero. Questo processo, chiamato "riscaldamento shock", sarebbe responsabile per la piccola dimensione dei buchi neri presenti nell'universo primordiale. Tuttavia, Di Matteo e Croft hanno visto nella loro simulazione che diversi fiumi di gas freddo molto denso, che seguono i lunghissimi filamenti che sono la struttura dell'universo, precipitano all'interno di massicci buchi neri. Questo avviene ad alta velocità e li rende dei fast food freddi per i buchi neri dell'universo primordiale. Questo consumo incontrollato fa si che i buchi neri aumentino la loro massa molto più rapidamente di quanto riescono a fare le galassie in cui risiedono.

E dato che galassie e buchi neri si formano insieme, i risultati ottenuti potrebbero anche gettare nuova luce su come si sono venute a formare le primissime galassie, dandoci così più indizi riguardo all'universo in cui viviamo e come ci siamo arrivati. Di Matteo e Croft sperano di spingere i limiti della loro simulazione ancor di più, creando delle simulazioni molto più grandi che possano coprire zone molto più vaste dello spazio e del tempo.

http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/

Simulazione visibile su GigaPan: http://gigapan.org/gigapans/76215/

http://www.cmu.edu/mcs/news/pressreleases/2011/12_7_MassiveBlack.html

  1. Pingback: » GigaPan Time Machine lets users travel through time – in digital images

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