Una “black-hole star” nell’Universo primordiale: la scoperta di JWST che sfida i modelli cosmologici

Il telescopio spaziale James Webb scrutando l’Universo primordiale continua a scoprire oggetti mai prima osservati e la cui natura sembra un vero rompicapo, nel senso che le loro caratteristiche mettono in discussione quelle che per noi erano certezze.

Dopo la scoperta dei Little Red Dots, sorgenti compatte, rosse e luminose difficili da interpretare come normali galassie, ma anche come normali buchi neri, è recente la scoperta di uno stranissimo oggetto. Lo hanno chiamato MoM-BH*-1 e la sua stranezza nasce dal fatto che potrebbe essere un buco nero ma con caratteristiche simili a una stella.

Presto fatto, lo hanno definito una “black hole star” ossia una “stella a buco nero”. Potrebbe essere il primo oggetto scoperto di una nuova classe di oggetti primordiali ancora sconosciuti. Sicuramente, ci troviamo di fronte ad uno di quei casi in cui le osservazioni complicano piuttosto che risolvere.

MoM-BH*-1: un oggetto che non si comporta come una stella

Tra i tanti progetti che si basano sulle osservazioni del telescopio James Webb, ce n’è uno chiamato “Mirage or Miracle”. Scopo del progetto è specificamente prendere di mira sorgenti considerate "a rischio", ovvero oggetti che potrebbero rivelarsi scoperte straordinarie oppure semplici intrusi, cioè semplici stelle fredde e vicine scambiate per galassie lontane.

E’ in seno a questo progetto che è avvenuta la scoperta di MoM-BH*-1 da parte di ricercatori dell'Istituto di Scienza e Tecnologia Austriaco (ISTA) e collaboratori internazionali, e pubblicata sulla rivista Nature.

MoM-BH*-1 è stato osservato con gli strumenti NIRCam e NIRSpec che ne hanno misurato uno spostamento verso il rosso pari a z = 7,7569, il che lo colloca ad un’epoca di circa 660 milioni di anni dopo il Big Bang. Si tratta di un oggetto dell’Universo primordiale.

Questo oggetto ha una discontinuità di Balmer così grande da essere incompatibile con una stella o una galassia primordiale. Ma presenta anche altre caratteristiche mai prima osservate né in singole stelle né in galassie.

Se fosse una stella, questa dovrebbe avere densità elevatissime dell’ordine di 10¹¹ particelle per centimetro cubo, dimensioni enormi e turbolenza con velocità caratteristiche di circa 500 km/s, cioè tutti valori ben al di là di quanto possibile nelle stelle.

Da qui, la possibile interpretazione che possa trattarsi di un buco nero supermassiccio. Ma non di quelli già noti, ma un buco nero attivo immerso in un involucro quasi sferico di gas densissimo.

Come fanno i buchi neri giovanissimi ad essere già supermassicci

I buchi neri che conosciamo meglio, quelli nell’Universo a noi vicino, accrescono la propria massa con le stelle che cadute sotto la loro sfera di azione gravitazionale vengono divorate. Avendo questi buchi neri miliardi di anni, non fa meraviglia che in così tanto tempo siano diventati supermassicci.

Ma i buchi neri dell’Universo primordiale, quindi con età di poche centinaia di milioni di anni, come hanno fatto a bruciare le tappe e diventare supermassicci?

Un possibile e ipotetico scenario è che il gas avvolgerebbe il buco nero centrale su scale di decine di unità astronomiche. La radiazione emessa dal disco di accrescimento che circonda il buco nero verrebbe assorbita, diffusa e rielaborata dall’involucro, producendo uno spettro che ricorda in parte una gigantesca atmosfera stellare. Da qui il termine “black-hole star”.

Gli autori sottolineano però che il modello è idealizzato e non costituisce ancora una ricostruzione unica della struttura dell’oggetto

MoM-BH*-1 potrebbe rappresentare una versione embrionale del buco nero centrale nascosto nei Little Red Dots. Anche questi oggetti misteriosi presentano caratteristiche spettrali simili a MoM-BH*-1, come righe di Balmer larghe, colori ottici rossi, debole emissione X e dimensioni estremamente compatte, caratteristiche che suggeriscono giovani buchi neri supermassicci avvolti da un bozzolo di gas ionizzato.

Una possibile scorciatoia per far crescere i primi giganti cosmici

Come spiegare nell’Universo primordiale buchi neri da milioni o miliardi di masse solari? I modelli prevedono due possibili meccanismi di formazione, o a partire dal collasso delle prime stelle massicce oppure dal collasso diretto del gas.

L’ipotesi più interessante per spiegare l’esistenza di MoM-BH*-1 è che in un ambiente estremamente denso, un buco nero potrebbe attraversare episodi di accrescimento oltre il limite di Eddington: parte della radiazione rimarrebbe intrappolata nel gas, riducendo l’efficacia con cui la pressione radiativa arresta l’ingresso di nuova materia.

MoM-BH*-1 costituisce quindi un laboratorio naturale per verificare questa idea, non una prova definitiva.

Per avere conferme decisive serve ulteriore spettroscopia, ma anche osservazioni nei raggi X, nel radio e nel medio infrarosso. I candidati per la classificazione come “black-hole star” sono numerosi. Le osservazioni future dovranno soprattutto stabilire quanto questa configurazione sia comune e per quanto tempo possa sopravvivere.