Nel corso dell’intera storia cosmica degli ultimi 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, i buchi neri e le stelle supermassicci hanno prodotto all’incirca la stessa quantità di energia prodotta
Poiché entrambi i motori si alimentano di gas, ciò suggerisce che la loro crescita all’interno delle galassie sia stata autoregolata dalla loro produzione. Sappiamo infatti che le stelle massicce generano venti potenti ed esplodono come supernove in grado di espellere il gas circostante dalla galassia che le ospita. Allo stesso modo, i buchi neri in accrescimento generano venti e radiazioni che possono espellere e riscaldare il gas circostante. Entrambi i motori rimuovono il gas che li alimenta, proprio come i bambini che diventano energici dopo aver mangiato troppo e spingono il cibo fuori dal tavolo dopo aver acquisito abbastanza calorie.
Nel corso dell’intera storia cosmica degli ultimi 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, i buchi neri e le stelle supermassicci hanno prodotto all’incirca la stessa quantità di energia prodotta. Poiché entrambi i motori si alimentano di gas, ciò suggerisce che la loro crescita all’interno delle galassie sia stata autoregolata dalla loro produzione. Sappiamo infatti che le stelle massicce generano venti potenti ed esplodono come supernove in grado di espellere il gas circostante dalla galassia che le ospita. Allo stesso modo, i buchi neri in accrescimento generano venti e radiazioni che possono espellere e riscaldare il gas circostante. Entrambi i motori rimuovono il gas che li alimenta, proprio come i bambini che diventano energici dopo aver mangiato troppo e spingono il cibo fuori dal tavolo dopo aver acquisito abbastanza calorie.
Come risultato del loro feedback energetico, la massa delle stelle o di un buco nero supermassiccio dipende dalla profondità della ciotola che conserva il cibo. Questo pozzo di potenziale gravitazionale della galassia ospite può essere misurato dalla dispersione della velocità delle stelle intrappolate in esso. In effetti, l’Universo attuale mostra strette correlazioni tra la dispersione della velocità stellare e la massa delle stelle o di un buco nero supermassiccio all’interno dello sferoide della loro galassia ospite.
Ma c’erano le stesse relazioni per entrambi i motori nella prima generazione di galassie nell’Universo ? Dobbiamo tenere presente che le stelle possono formarsi solo a partire da gas freddo, decine di gradi sopra lo zero assoluto, perché a temperature molto più elevate la pressione del gas non consente la frammentazione in piccoli grumi autogravitanti. La radiazione emessa da un buco nero in accrescimento riscalda il gas circostante a temperature più elevate e sopprime la formazione stellare all’interno della galassia ospite per la durata del periodo di crescita.
È interessante notare che il tempo di crescita dei buchi neri supermassicci è paragonabile all’età dell’Universo primordiale con spostamenti verso il rosso superiori a 4. Data una massa seme universale, questo periodo di crescita dipende solo logaritmicamente dalla massa finale del buco nero a causa della crescita esponenziale fino alla saturazione. limite. Ciò suggerisce che negli ultimi tempi cosmologici – molto più tardi di un miliardo di anni dopo il Big Bang, gli episodi di crescita del buco nero sono transitori, occupando una piccola frazione dell’età dell’Universo e consentendo alle stelle di formarsi dal gas freddo per la maggior parte del tempo. tempo disponibile. In effetti, negli ultimi tempi cosmici, i buchi neri in accrescimento vengono osservati come quasar di breve durata. Coerentemente, i quasar luminosi rappresentano una piccola frazione della popolazione della galassia perché brillano per una breve frazione del tempo cosmico disponibile, come esplosioni transitorie. Negli ultimi tempi cosmici, i quasar illuminano l’universo oscuro come fuochi d’artificio nel cielo notturno.
Tuttavia, la situazione era diversa nell’Universo neonato. Meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang, le galassie erano ricche di gas perché non ne avevano ancora convertito gran parte in stelle. Questo gas ha alimentato la crescita del buco nero per un periodo che ha occupato gran parte della breve età dell’Universo neonato. Il conseguente riscaldamento del gas circostante deve aver soppresso la formazione stellare per la maggior parte del tempo disponibile e portato alla comparsa di galassie con buchi neri sovramassicci rispetto alla relazione osservata tra massa stellare e massa del buco nero nell’Universo locale.
In un nuovo articolo che ho appena completato con il brillante borsista post-dottorato Fabio Pacucci, abbiamo dimostrato che gli ultimi dati del telescopio Webb confermano questa aspettativa teorica. Si è scoperto che le galassie ad alto spostamento verso il rosso contengono buchi neri eccessivamente massicci rispetto alle aspettative dell’Universo locale. Ciò conferma la prevista soppressione della formazione stellare da parte del lungo ciclo di lavoro del buco nero centrale quando l’Universo era giovane.
E così, la corsa cosmica per il consumo del cibo gassoso è stata vinta dai buchi neri sulle stelle nelle prime galassie. Per questi giovani genitori galattici, un bambino – un buco nero centrale – è cresciuto molto più rapidamente e ha negato il cibo all’altro bambino – le stelle. Tuttavia, le stelle furono in grado di recuperare e consumare più gas dopo il primo miliardo di anni, quando l’attività dei quasar divenne sporadica e il gas galattico riuscì a raffreddarsi fino a raggiungere temperature basse.
Ad oggi, i buchi neri supermassicci finiscono per contenere solo un decimo della massa stellare negli sferoidi galattici. In altre parole, la formazione stellare ha consumato il 99,9% del gas che alimentava entrambi i motori. Tuttavia, le stelle convertono la massa a riposo in radiazione attraverso la fusione nucleare con un’efficienza media mille volte inferiore a quella dei buchi neri, rendendo i due motori con il rapporto di massa finale uguali contributori di energia al feedback autoregolante all’interno delle galassie.
Ciò non era previsto in un libro di testo vecchio di dieci anni, intitolato “ Le prime galassie nell’universo ”. Come un bambino, mi entusiasma acquisire nuove intuizioni come questa su come funziona l’Universo. Neil deGrasse Tyson ha osservato che: “ L’Universo non ha l’obbligo di avere un senso per te ”. Ma come scienziato praticante, provo piacere quando per me ha senso.
Ci sono diverse ragioni per cui la vita era meno probabile nel primo miliardo di anni dopo il Big Bang. In primo luogo, la chimica della vita come la conosciamo richiede elementi come il carbonio e l’ossigeno che furono prodotti all’interno delle stelle ed erano rari nei primi tempi. In secondo luogo, la radiazione ad alta energia proveniente dai quasar è dannosa per la vita , suggerendo che la vita sui primi pianeti fu soppressa quando i quasar avevano un lungo ciclo di lavoro nelle galassie primordiali. Infine, il numero dei pianeti che ospitano la vita deve crescere con il numero delle stelle, per la stessa ragione per cui il numero dei vicini cresce con il numero delle case su una strada.
Non sorprende quindi che ci troviamo ad esistere molto tempo dopo il primo miliardo di anni dal Big Bang. Siamo arrivati tardi perché l’anima della festa è iniziata tardi, dopo la fine dei fuochi d’artificio del quasar.
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