• Un team di ricerca ha trovato per la prima volta una prova che i buchi neri supermassicci potrebbero essere la fonte di energia oscura che guida l’accelerazione dell’espansione cosmica.
• A partire dall’evoluzione cosmologica dei buchi neri al centro di antiche galassie dormienti, i ricercatori hanno scoperto che la rapida crescita di questi oggetti non può essere spiegata con fenomeni conosciuti.
• Questa crescita eccessiva sembra andare di pari passo con l’accelerazione dell’espansione dell’Universo, cosa che rende i buchi neri supermassicci i migliori candidati per fornire il cosmo di energia.

Un team internazionale di ricercatori guidati dall’Università delle Hawaii, tra cui fisici dell’Imperial College di Londra e dell’STFC RAL Space, ha trovato per la prima volta una prova osservativa della possibile fonte di energia oscura dell’Universo: i buchi neri supermassicci.

L’energia oscura è la cosiddetta “energia del vuoto”, che permea lo spaziotempo insieme alla gravità e guida l’espansione accelerata dell’Universo. Costituisce circa il 70% dell’intero Universo.

A partire dalle osservazioni di buchi neri supermassicci al centro di galassie antiche e dormienti, i ricercatori hanno studiato come questi mostri celesti crescono ed evolvono nel corso di miliardi di anni. Confrontando i loro risultati con quelli di buchi neri supermassicci in galassie più giovani, hanno scoperto che i buchi neri di oggi sono da 7 a 20 volte più grandi di quanto non fossero nove miliardi di anni fa. Un tasso di crescita che non può essere spiegato.

L’energia per spiegare l’accelerazione dell’Universo

Negli anni ’90 si è scoperto che l’espansione dell’Universo sta accelerando: tutto si sta allontanando da tutto ciò che c’è intorno, a un ritmo sempre più veloce. Questa osservazione era controintuitiva per gli scienziati: l’attrazione esercitata dalla gravità tra tutti gli oggetti dotati di massa dovrebbe rallentare l’espansione, non accelerarla.

Per riuscire a spiegare quello che stavano vedendo, i ricercatori hanno proposto che ci fosse una sorta di “energia del vuoto”, di origine sconosciuta ma inclusa nello spaziotempo stesso, che era responsabile di separare le cose con più forza di quanta la gravità ne usasse per avvicinarle. Questa energia è stata chiamata energia oscura, perché ignota.

Il concetto di energia oscura non è stato proposto a caso. Era collegato infatti a un concetto simile, proposto in precedenza da Einstein, e successivamente scartato, riguardante le equazioni einsteiniane dello spaziotempo: quello di costante cosmologica. Essa rappresentava idealmente “un qualcosa” che si opponesse alla gravità, impedendo all’Universo di collassare.

Purtroppo i buchi neri hanno posto un problema a questa definizione. La loro gravità, infatti, è estremamente forte e quindi difficile da contrastare. Specialmente al centro, dove tutto sembra “rompersi” in quella che matematicamente viene definita singolarità.

Il nuovo risultato ottenuto dai ricercatori mostra che i buchi neri guadagnano massa in modo coerente con il loro contenuto di energia del vuoto. Lo farebbero fornendo una fonte di energia oscura, quindi eliminando la necessità che si formino singolarità al loro centro.

L’eccessiva (e inspiegabile) crescita di un buco nero

I ricercatori sono giunti a questa conclusione studiando nove miliardi di anni di evoluzione di un buco nero supermassiccio. Questa tipologia di buchi neri contiene da milioni a miliardi di volte la massa del nostro Sole entro uno spazio relativamente piccolo, cosa che crea attorno all’oggetto una gravità estremamente forte.

Ci sono due modi in cui i buchi neri possono aumentare le loro dimensioni:

1. Con un accrescimento dovuto al materiale circostante (ad esempio l’avvicinarsi di stelle, che vengono inghiottite dal buco nero).
2. Attraverso la fusione con altri buchi neri.

Per scoprire se questi effetti da soli potessero spiegare l’enorme crescita dei buchi neri supermassicci, il team ha esaminato i dati evolutivi. Si è concentrato su un particolare tipo di galassia del tipo ellittica gigante, che si è evoluta all’inizio dell’Universo e poi è diventata dormiente.

Ci sono molti esempi di galassie dormienti: hanno finito di formare stelle, lasciando poco materiale per l’accrescimento del buco nero al loro centro, il che significa che qualsiasi ulteriore crescita non può essere spiegata da questi normali processi astrofisici.

Confrontando le osservazioni di galassie lontane, che ci appaiono com’erano quando erano giovani, con le osservazioni di galassie ellittiche locali, che sono vecchie e morte, i ricercatori hanno attestato una crescita molto maggiore di quanto previsto dall’accrescimento o dalle fusioni.

La prova che i buchi neri contengono energia oscura

A partire dal fatto che le tipiche soluzioni per la cresciuta di buchi neri non sono sufficienti a spiegare i risultati delle osservazioni, i ricercatori hanno effettuato ulteriori misurazioni di altre galassie in diversi punti dell’evoluzione dell’Universo.

In questo modo, hanno trovato le prove della loro previsione che i buchi neri potessero aumentare in massa proporzionalmente a quanto sta accelerando l’espansione dell’Universo. I risultati implicano che i buchi neri contribuiscano cosmologicamente come energia del vuoto.

Questa è la prima prova osservativa che i buchi neri contengono effettivamente energia del vuoto e che sono “accoppiati” all’espansione dell’Universo. Aumentano di massa man mano che l’Universo si espande, un fenomeno chiamato accoppiamento cosmologico.

Se ulteriori osservazioni lo confermeranno, l’accoppiamento cosmologico ridefinirà la nostra comprensione di cosa sia un buco nero. E non solo: rivoluzionerà l’intera cosmologia, perché finalmente potremmo avere una soluzione per l’origine dell’energia oscura, qualcosa che sta tenendo impegnati fisici teorici e cosmologi da decenni.

La ricerca è stata pubblicata in due diversi articoli, uno sulla rivista The Astrophysical Journal (qui per leggerlo) e uno su The Astrophysical Journal Letters (qui).