The effect of pressure confinement on the maximum mass of rapidly accreting supermassive stars

Nell'universo primordiale, solo poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, iniziarono ad apparire i primi buchi neri supermassicci. Questi giganti cosmici, pesanti milioni o persino miliardi di volte il nostro Sole, si trovano oggi al centro di quasi ogni grande galassia. Eppure, le loro origini rimangono uno degli enigmi più ostinati dell'astronomia. Per crescere così rapidamente, devono essere iniziati come semi massicci, ma la fisica del modo in cui questi semi si siano formati è difficile da conciliare con le note leggi della gravità. Una delle teorie principali suggerisce che questi semi siano iniziati come stelle supermassicce — enormi, rigonfie sfere di gas che si sono gonfiate fino a cento migliaia di volte la massa del Sole prima di collassare in buchi neri. Tuttavia, c'è un problema: man mano che queste stelle crescono, diventano instabili. Secondo le regole standard della fisica, una stella di queste dimensioni dovrebbe collassare sotto il proprio peso molto prima di poter raggiungere la massa necessaria per spiegare i buchi neri giganti che vediamo oggi.

Un nuovo studio di Lorenz Zwick, Christopher Tiede e Zoltán Haiman sfida questa assunzione di lunga data osservando l'ambiente in cui nascono queste stelle. Per decenni, gli scienziati hanno calcolato la stabilità di queste stelle trattandole come oggetti isolati che fluttuano nello spazio vuoto, senza forze esterne che premono su di esse. Ma in realtà, una stella supermassiccia non si forma nel vuoto. Viene costruita da un incessante, ad alta velocità fiume di gas che cade su di essa dalla galassia circostante. Questo articolo sostiene che questo flusso in entrata faccia molto di più che aggiungere massa; esso preme anche contro la superficie della stella, agendo come un guscio protettivo. I ricercatori hanno scoperto che questa pressione esterna, generata dalla forza d'impatto del gas in caduta e dai campi magnetici trasportati con esso, può stabilizzare significativamente la stella. Questo supporto extra permette alla stella di crescere molto più grande e pesante di quanto precedentemente ritenuto possibile prima di collassare finalmente in un buco nero.

I ricercatori si sono concentrati su un tipo specifico di stella teorica nota come ilotro, che modella come una stella supermassiccia si evolve mentre inghiotte rapidamente il gas. Nelle loro calcoli, hanno esteso le classiche regole di stabilità sviluppate dal fisico Subrahmanyan Chandrasekhar negli anni '60. Il lavoro di Chandrasekhar mostrava che, man mano che una stella diventa estremamente massiccia, gli effetti della teoria della relatività generale di Einstein la rendono instabile, causandone l'implosione. Il nuovo studio aggiunge un tassello mancante fondamentale a questa equazione: la pressione dal mondo esterno. Il team ha derivato un nuovo criterio matematico che tiene conto del fatto che la stella è schiacciata dal gas stesso che la nutre. Hanno scoperto che quando la pressione esterna raggiunge appena una frazione minuscola — circa un millesimo — della pressione interna della stella, inizia a contrastare gli effetti destabilizzanti della relatività.

Questa piccola quantità di schiacciamento esterno ha un impatto enorme sulla dimensione potenziale della stella. Lo studio mostra che, una volta superata questa soglia di pressione, la massa massima che una stella può raggiungere prima di collassare aumenta drasticamente. Invece di essere limitata a poche centinaia di migliaia di volte la massa del Sole, una stella confinata da questa pressione esterna potrebbe potenzialmente crescere fino a milioni di masse solari. I ricercatori hanno calcolato che, affinché una stella raggiunga queste dimensioni straordinarie, il gas circostante deve cadere a tassi di circa cento masse solari all'anno, e i campi magnetici in quel gas devono essere abbastanza forti da fornire un confinamento aggiuntivo. In queste condizioni, la stella può ritardare il suo inevitabile collasso, crescendo molto più grande rispetto ai "semi pesanti" tipicamente previsti dai modelli che ignorano l'ambiente circostante.

Le implicazioni di questa scoperta vanno oltre la semplice matematica del collasso stellare. Offre una spiegazione potenziale per l'esistenza dei buchi neri più massicci osservati nell'universo primordiale, che sembrano troppo grandi per essersi formati dai normali, più piccoli semi. Fornisce anche una nuova prospettiva sulle recenti osservazioni del Telescopio Spaziale James Webb, che ha rilevato oggetti misteriosi, rossi e molto luminosi nel cosmo primordiale. Alcuni astronomi credono che questi oggetti potrebbero essere le stelle supermassicce descritte in questo articolo. I modelli standard faticano a spiegare come tali stelle possano esistere senza collassare, ma i nuovi risultati suggeriscono che l'intensa pressione dei loro stessi flussi di accrezione potrebbe mantenerle stabili alle dimensioni massicce richieste per corrispondere alle osservazioni del telescopio.

Gli autori sottolineano con cura che questi risultati si basano su modelli teorici e simulazioni, non su misurazioni dirette di una stella reale, il che sarebbe impossibile da osservare con tale dettaglio. Riconoscono che l'universo reale è caotico, con stelle che probabilmente ruotano e accregano gas in modi complessi e disomogenei che i loro modelli sferici semplificati non riescono a catturare completamente. Tuttavia, il risultato principale — ovvero che l'ambiente è fondamentale — è robusto. Lo studio suggerisce che lo stesso processo che costruisce la stella aiuta anche a tenerla insieme. Il gas che nutre la stella la preme anche, e i campi magnetici generati da quel flusso forniscono una presa stabilizzante. Questa interazione significa che la massa finale del buco nero risultante non è solo una proprietà della stella stessa, ma è il risultato dell'ambiente violento e ad alta pressione in cui è nata.

In definitiva, questo lavoro sposta l'attenzione dalla stella come oggetto isolato alla stella come parte di un sistema dinamico. Suggerisce che i buchi neri più estremi dell'universo potrebbero essersi formati negli ambienti più estremi, dove l'afflusso di gas era così potente da alterare fondamentalmente le regole della stabilità stellare. Tenendo conto della pressione del flusso di accrezione, i ricercatori hanno aperto una nuova finestra su come i primi giganti dell'universo potrebbero essere cresciuti, offrendo un percorso plausibile per come la natura possa aver prodotto i semi per i buchi neri supermassicci che dominano il nostro cosmo oggi.