Uno dei grandi enigmi dell’astrofisica contemporanea è il seguente: come hanno fatto i buchi neri supermassicci, oggetti da milioni o miliardi di masse solari, a diventare così grandi così presto? Il telescopio spaziale James Webb ne vede di già enormi quando l’Universo aveva poche centinaia di milioni di anni. Per arrivarci in tempo, dicono molti astrofisici, dovevano partire da “semi” già piuttosto pesanti. Ma dove nascevano questi semi?
Un gruppo del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma propone una risposta concreta, partendo da oggetti che Webb ha davvero osservato: gli ammassi stellari giovani e compattissimi scoperti in alcune galassie primordiali. Secondo lo studio, firmato da Viola Bocchi, Matías Liempi e Dominik Schleicher e pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics, in queste “fabbriche di stelle” potevano formarsi buchi neri di massa intermedia fino a qualche migliaio di volte quella del Sole: candidati ideali per essere i semi dei giganti che vediamo più tardi.
Buchi neri “di mezzo”
I buchi neri che conosciamo meglio appartengono a due famiglie lontanissime tra loro. Da un lato quelli stellari, nati dal collasso di singole stelle massicce e pesanti qualche decina di masse solari. Dall’altro quelli supermassicci, che stanno al centro delle galassie. In mezzo c’è una terra quasi inesplorata: i buchi neri di massa intermedia, da cento a centomila masse solari, di cui esistono pochi candidati convincenti.
Proprio questi oggetti potrebbero essere l’anello mancante. Un seme da qualche migliaio di masse solari, infatti, ha un vantaggio enorme rispetto a un buco nero stellare: deve crescere molto meno per diventare supermassiccio, e quindi può farcela anche nei tempi stretti dell’Universo giovane.
Le gemme cosmiche e la galassia lucciola
Grazie all’effetto di lente gravitazionale, che ingrandisce le galassie lontane come una lente d’ingrandimento naturale, Webb è riuscito a distinguere singoli ammassi stellari in galassie lontanissime. Il caso più spettacolare è il Cosmic Gems arc, un arco di luce che ci mostra una galassia com’era circa 460 milioni di anni dopo il Big Bang, con cinque ammassi giovani e massicci. Un altro è la Firefly Sparkle, la “galassia lucciola”, vista circa 600 milioni di anni dopo il Big Bang, che ne ospita una decina.
Sono oggetti estremi: masse tra centomila e dieci milioni di volte quella del Sole concentrate in regioni ampie da meno di un parsec a una quindicina di parsec (un parsec vale circa 3,26 anni luce). Per confronto, nella Via Lattea le stelle più vicine al Sole sono a più di un parsec di distanza: in questi ammassi, nello stesso spazio, ne sono stipate centinaia di migliaia.
Una stella gigante costruita a scontri
In un ambiente così affollato le stelle si scontrano. Il meccanismo studiato dal gruppo romano è la cosiddetta “collisione a valanga”: nel nucleo dell’ammasso una stella particolarmente massiccia continua a inglobare altre stelle, ingrassando fino a diventare una stella supermassiccia. Nel frattempo, però, perde materia attraverso potenti venti stellari. La crescita si ferma quando le due cose si bilanciano; a quel punto la stella collassa direttamente in un buco nero di massa simile.
Simulare stella per stella ammassi così densi è al di là delle capacità dei computer attuali, quindi gli autori hanno costruito un modello analitico che descrive l’evoluzione dell’ammasso per circa 100 milioni di anni e lo hanno confrontato con simulazioni dettagliate di ammassi più piccoli. Il risultato: buchi neri tipicamente tra 100 e 4.000 masse solari, con un’efficienza di pochi punti percentuali della massa del nucleo dell’ammasso. Gli ammassi del Cosmic Gems arc, più compatti e poveri di elementi pesanti, sono i più promettenti, con semi stimati tra circa 1.600 e 2.700 masse solari; quelli della Firefly Sparkle, più diluiti, darebbero buchi neri tra circa 180 e 800 masse solari.
Il ruolo dei metalli e le domande aperte
Un dettaglio cruciale è la composizione chimica. Gli astronomi chiamano “metalli” tutti gli elementi più pesanti di idrogeno ed elio, e nelle stelle sono proprio i metalli a rendere i venti stellari più intensi. Nel giovane Universo i metalli erano scarsissimi: negli ammassi del Cosmic Gems arc si stima meno di un cinquantesimo di quelli del Sole. Meno metalli significa venti più deboli, e quindi una stella gigante che perde meno massa e lascia un buco nero più pesante.
Gli autori sono i primi a sottolineare i limiti del lavoro: le stime sono incerte almeno di un fattore pochi, e Webb non ha osservato direttamente nessun buco nero dentro questi ammassi. Si tratta di un calcolo teorico basato su oggetti reali, non di una scoperta. Lo studio suggerisce però un collegamento intrigante con i cosiddetti “Little Red Dots”, i misteriosi puntini rossi scoperti da Webb nell’Universo primordiale e interpretati da molti come buchi neri in crescita. Se gli ammassi compatti erano davvero incubatrici di semi pesanti, potremmo avere davanti agli occhi le prime tappe della storia dei buchi neri giganti.
Stefano Camilloni
Riferimento scientifico: Bocchi V., Liempi M., Schleicher D. R. G., Formation of intermediate-mass black holes in young massive clusters detected with JWST: Analytic mass estimates, Astronomy & Astrophysics 712, A146 (2026).
DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202659622
Fonte: Phys.org; approfondimento: articolo completo su A&A (accesso libero)
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