Tre indizi di JWST su come i primi buchi neri siano cresciuti così in fretta

Il telescopio spaziale James Webb (JWST) ha individuato nell’universo primordiale piccole sorgenti compatte e rosse, chiamate little red dots (LRD, letteralmente «piccoli puntini rossi»). Alcune potrebbero essere legate a buchi neri massicci che stanno accumulando materia a ritmi elevati.

Il loro numero e la velocità di crescita apparentemente necessaria pongono un problema: è difficile conciliare tutto con uno scenario semplice in cui ogni buco nero nasca dal collasso di una stella ordinaria e aumenti poi la propria massa in modo regolare.

Tre filoni di ricerca recenti non offrono un’unica risposta definitiva, ma delineano possibilità complementari: partire da semi più grandi, crescere grazie a interazioni e fusioni, e restare talvolta nascosti entro involucri di gas denso invece di apparire come quasar convenzionali.

1. Aloni di materia oscura formati prestissimo potrebbero produrre semi più pesanti

La proposta dei buchi neri «non del tutto primordiali» si colloca a metà strada fra due scenari noti. Non richiede fluttuazioni di densità così intense da generare buchi neri primordiali subito dopo l’inflazione cosmica. Fluttuazioni più moderate, ma amplificate, potrebbero invece far collassare aloni di materia oscura in un’epoca eccezionalmente precoce. 33

Negli aloni formati prima di circa redshift 200, la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) avrebbe ostacolato la formazione di idrogeno molecolare. Senza questo importante canale di raffreddamento, il gas in caduta nell’alone potrebbe non frammentarsi in stelle come avviene normalmente e collassare direttamente in un buco nero. 33

Il vantaggio dell’ipotesi è intuitivo: se una parte dei buchi neri nasce prima della normale formazione stellare nelle galassie ospiti, può iniziare prima e forse con una massa iniziale maggiore rispetto ai residui stellari. Questo riduce — pur senza eliminarlo — il bisogno di una crescita successiva estremamente rapida.

Per ora si tratta di un meccanismo teorico. Per capire quanto conti davvero nella popolazione delle LRD osservate da JWST occorrerà stabilire quanto fossero frequenti queste condizioni rare e se i loro discendenti previsti corrispondano alle osservazioni.

2. Coppie ravvicinate di LRD: una possibile via alle fusioni

Un altro studio, basato sull’analisi delle immagini JWST, ha identificato quattro coppie candidate di LRD molto vicine tra loro in un’epoca compresa fra 12,5 e 12,8 miliardi di anni fa. Per due coppie, i dati spettroscopici mostrano redshift quasi identici per i due membri: un elemento a sostegno del fatto che fossero fisicamente vicini e non soltanto allineati per caso lungo la nostra linea di vista. 15

Se le LRD sono tracce di buchi neri in rapida crescita, gli incontri stretti fra galassie possono favorirne l’evoluzione in due modi:

• Afflusso di gas: le interazioni gravitazionali possono convogliare gas verso i centri galattici, fornendo combustibile all’accrescimento.
• Coalescenza finale: quando le galassie ospiti si fondono, anche i rispettivi buchi neri centrali possono formare una coppia e, alla fine, unirsi, sommando direttamente massa.

È un’interpretazione promettente, ma non equivale all’osservazione diretta di una fusione di buchi neri. Le sorgenti sono coppie candidate di LRD; per accertare che entrambi gli oggetti ospitino buchi neri massicci in accrescimento — e che siano destinati a fondersi — serviranno ulteriori spettri, vincoli dinamici e, in prospettiva, prove dalle onde gravitazionali. Per ora, il risultato suggerisce soprattutto che gli ambienti ravvicinati possano essere stati importanti nella prima fase di crescita. 15

3. Una «stella di buco nero» potrebbe celare una crescita rapidissima nel gas

MoM-BH*-1 propone una pista diversa: non spiega come un buco nero nasca o si unisca a un altro, ma come possa crescere rapidamente senza assomigliare a un normale nucleo galattico attivo.

L’interpretazione proposta è quella di un buco nero che accresce materia, immerso in un denso involucro di idrogeno. MoM-BH*-1 è osservato a redshift 7,7569, quando l’universo aveva circa 660 milioni di anni; l’involucro modellato si estenderebbe per circa 10-100 unità astronomiche, una scala paragonabile a quella del Sistema solare. 2326

In questo quadro, l’energia liberata dalla materia che cade verso il buco nero viene assorbita, diffusa e riemessa dal gas circostante. Il sistema può quindi produrre uno spettro simile a quello di una stella, anche se la sorgente energetica sottostante è l’accrescimento sul buco nero. Il modello associa all’oggetto un buco nero centrale di circa 100.000 masse solari e una luminosità dell’ordine di 80-100 miliardi di volte quella del Sole. 2426

La rilevanza per le LRD è chiara: il gas denso può al tempo stesso alimentare il buco nero e modificare profondamente la luce osservata dagli astronomi. Una popolazione di accretori avvolti dal gas potrebbe quindi apparire compatta e rossa pur attraversando una fase di intensa crescita. MoM-BH*-1, però, è un oggetto eccezionale e questa resta un’interpretazione modellistica: non dimostra che tutte le LRD siano «stelle di buco nero».

Non una soluzione unica, ma una sequenza possibile

Insieme, le tre idee descrivono una possibile sequenza di crescita:

1. Partire presto e con masse maggiori: il collasso diretto in aloni formati eccezionalmente presto potrebbe creare semi prima delle stelle ordinarie.
2. Alimentarsi con efficienza: involucri di gas denso potrebbero nascondere un accrescimento molto luminoso e rapido.
3. Crescere per aggregazione: interazioni tra galassie e fusioni di buchi neri potrebbero aggiungere massa e innescare nuovo afflusso di gas.

L’incognita decisiva è quanto questi meccanismi siano diffusi nell’intera popolazione. Le little red dots non sono necessariamente una classe uniforme e le evidenze disponibili vanno da un modello teorico a coppie candidate, fino all’interpretazione di un singolo oggetto insolito. Nel complesso, però, il quadro sposta la domanda oltre un’unica improbabile traiettoria di crescita: i primi buchi neri massicci potrebbero aver avuto più strade per formarsi, alimentarsi e fondersi nell’universo giovane.