Un buco nero che non si è formato dal collasso stellare 

Il buco nero nella Piccola Macchia Rossa (LRD) Abell 2744-QSO1 osservato dal JWST nell'universo primordiale (circa 700 milioni di anni dopo il Big Bang) è un buco nero supermassiccio che è cresciuto fino alle sue dimensioni attuali senza una galassia molto più grande che lo alimentasse. Secondo il modello standard dell'evoluzione stellare, i buchi neri si formano dalla morte di stelle più grandi alla fine del loro ciclo di vita, quando esauriscono il combustibile a seguito del collasso del nucleo stellare. Questi buchi neri crescono di dimensioni nutrendosi di materia proveniente da una galassia molto più grande. Il buco nero della Piccola Macchia Rossa QSO1 non si adatta a questo schema ed è una novità. Si è formato direttamente senza l'evoluzione stellare standard, cioè non è un residuo del collasso del nucleo di una grande stella morente. Invece, è o un buco nero a collasso diretto (DCBH) o un buco nero primordiale (PBH). I buchi neri non formati dal collasso stellare erano stati teorizzati in precedenza. Questa è la prova di un buco nero che si forma attraverso un processo al di là dello standard evoluzione stellare.  

Come si forma un buco nero? Secondo il modello standard dell'evoluzione stellare, i buchi neri sono il prodotto finale dell'evoluzione di stelle massicce. Le stelle subiscono cambiamenti con il passare del tempo. 

La vita di una stella inizia in grandi nubi interstellari di gas e polvere nella galassia, dove i gas si addensano a causa delle basse temperature, formando zone ad alta densità. Questi agglomerati accumulano gradualmente sempre più materia e crescono. A un certo punto, gli agglomerati collassano a causa dell'aumento della forza gravitazionale. L'attrito durante il collasso riscalda la materia e nasce una stella nascente. Questa è la fase di protostella nel ciclo di vita stellare. Il collasso gravitazionale continua ulteriormente, portando a un graduale aumento della temperatura e della pressione nel nucleo della protostella. Col tempo, la temperatura e la pressione diventano sufficientemente elevate da permettere la fusione dei nuclei di idrogeno. La fusione nucleare rilascia un'enorme quantità di energia che riscalda la materia a sufficienza da impedire un ulteriore collasso gravitazionale. Questa è la fase di sequenza principale della stella. L'idrogeno è il combustibile principale. 

Quando il combustibile si esaurisce, la fusione nucleare si arresta e non c'è energia per riscaldare i materiali per bilanciare la forza di gravità verso l'interno e il nucleo collassa, lasciando dietro di sé un residuo compatto. Questa è la fine della stella. La stella morta o il residuo compatto è o una nana bianca, o una stella di neutroni, o buco nero A seconda della massa della stella originaria, le stelle con una massa superiore a 20 masse solari (>20 M⦿) diventano buchi neri alla fine dell'evoluzione stellare, quando il combustibile si esaurisce. Questo è il processo standard: prima si formano stelle e galassie, e successivamente si formano i buchi neri come fase finale dell'evoluzione stellare. La massa di questi buchi neri è molto inferiore alla massa totale della galassia. 

Formazione non stellare di buchi neri

È possibile che i buchi neri si formino attraverso meccanismi diversi dal collasso del nucleo stellare? Sono stati teorizzati due canali di formazione "non stellari". 

Nell'universo primordiale, una grande nube di gas primordiale può collassare direttamente in un buco nero, bypassando la normale formazione ed evoluzione stellare, dando origine a quelli che chiamiamo buchi neri a collasso diretto (DCBH). Gli altri ipotetici buchi neri formatisi direttamente senza il coinvolgimento della normale evoluzione stellare sono i buchi neri primordiali (PBH). I PBH sono reliquie del Big Bang, formatisi nelle estreme fluttuazioni di densità dell'universo primordiale poco dopo il Big Bang. 

I buchi neri formatisi attraverso canali "non stellari" sono solo teorizzati, quindi ipotetici. Ma le cose hanno iniziato a cambiare rapidamente con il lancio del JWST nel dicembre 2021, un osservatorio spaziale a infrarossi dedicato allo studio dell'universo primordiale.

Il telescopio spaziale James Webb (JWST) rivoluziona lo studio dell'universo primordiale. 

Il JWST ha effettuato diverse osservazioni che stanno mettendo in discussione la nostra comprensione dell'universo primordiale. L'osservazione della galassia JADES-GS-z14-0 a un redshift di 14.32 la rende la galassia più distante conosciuta. Questa galassia si è formata nell'universo primordiale circa 290 milioni di anni dopo il Big Bang, eppure è una galassia grande, massiccia e altamente luminosa. È stata anche scoperta essere ricca di metalli, il che significa che intere generazioni di stelle massicce avrebbero già completato il loro ciclo vitale, dalla nascita all'esplosione di supernova, circa 290 milioni di anni fa nell'universo primordiale. Allo stesso modo, la galassia primordiale GS-NDG-9422, risalente a circa un miliardo di anni dopo il Big Bang, è risultata chimicamente complessa e priva di stelle di Popolazione III. Secondo le attuali conoscenze, la prima generazione di stelle dell'universo primordiale dovrebbe essere costituita da stelle di Popolazione III con metallicità zero. (In astronomia, qualsiasi elemento più pesante dell'elio è considerato un metallo. I non metalli chimici come ossigeno, azoto ecc. sono metalli in un contesto cosmologico. Le stelle si arricchiscono di metalli in ogni generazione successiva a un evento di supernova). 

Il JWST ha anche osservato buchi neri supermassicci nell'universo primordiale. Uno di questi buchi neri risale a circa 700 milioni di anni dopo il Big Bang e ha una massa pari a circa qualche milione di volte quella del Sole. Tutto è iniziato con l'osservazione da parte del JWST dei Little Red Dots (LRD), rilevati nella prima pubblicazione di dati del JWST nel 2022. Questi oggetti compatti di colore rosso presentavano spettri a forma di V ed emettevano gas di idrogeno ad alta velocità. 

Il piccolo punto rosso QSO1 (o Abell2744-QSO1) 

QSO1 (o Abell2744-QSO1) è un prototipico Piccolo Punto Rosso di circa 1,300 anni luce di diametro a una distanza di oltre 13 miliardi di anni luce. Esisteva nell'universo primordiale appena 700 milioni di anni dopo il Big Bang. È soggetto all'effetto lente gravitazionale dell'ammasso di galassie Abell 2744 (Ammasso di Pandora), pertanto appare sia ingrandito che triplamente raffigurato, in tre diverse posizioni nel cielo. Di conseguenza, QSO1 è più facile da studiare rispetto alla maggior parte degli altri Piccoli Punti Rossi. 

Uno studio dettagliato di questo Piccolo Punto Rosso (LRD) ha portato i ricercatori a concludere che alcuni buchi neri supermassicci erano enormi fin dall'inizio. Si sono formati senza una fase di collasso stellare e senza una galassia ospite significativamente più massiccia che li alimentasse. 

QSO è l'acronimo di Oggetto Quasi Stellare (comunemente chiamato quasar). 

Studi preliminari avevano rivelato che QSO1 è più di una semplice nube di gas incandescente di idrogeno ed elio che orbita attorno a un buco nero supermassiccio con una massa circa 40 milioni di volte superiore a quella del Sole. Tuttavia, c'era incertezza sul fatto che la sua massa fosse effettivamente così elevata. Questo perché, fino ad ora, tutte le misurazioni della massa dei buchi neri nell'universo primordiale erano state indirette, basate su ipotesi derivanti da ciò che sapevamo di essi nell'universo locale. Non sapevamo se tali ipotesi fossero effettivamente applicabili all'universo primordiale. 

I ricercatori hanno capito che, se il buco nero di QSO1 è davvero così massiccio, dovrebbero essere in grado di utilizzare l'unità di campo integrale (IFU) del JWST per tracciare gli effetti della sua gravità sul gas che lo circonda, mappando al contempo la distribuzione dei vari elementi nel gas. Pertanto, hanno utilizzato le osservazioni dell'IFU e mappato i movimenti del gas di idrogeno che circonda il buco nero. 

Il grafico della velocità di rotazione in funzione della distanza dal centro ha rivelato che il gas presentava un moto kepleriano, il che significa che la maggior parte della massa del piccolo punto rosso QSO1 è concentrata nel buco nero al centro. Se la massa fosse distribuita, il gas non avrebbe orbitato attorno a un punto centrale seguendo perfettamente le leggi kepleriane, nello stesso modo in cui i pianeti orbitano attorno al Sole nel sistema solare. 

Dato che il moto kepleriano è governato dalle leggi della gravità, le misurazioni della velocità del gas hanno permesso ai ricercatori di calcolare direttamente la massa del buco nero. Questa è stata la prima misurazione diretta della massa di un buco nero nell'universo primordiale. Si è scoperto che il buco nero di QSO1 ha una massa di circa 50 milioni di masse solari. Inoltre, questo buco nero rappresenta i due terzi della massa totale di QSO1. Questo è un dato molto raro, poiché i buchi neri supermassicci nelle galassie vicine generalmente costituiscono solo una piccola frazione della massa totale della galassia ospite.

Inoltre, l'analisi delle mappe di composizione IFU ha mostrato che il gas in tutta QSO1 è costituito quasi interamente da idrogeno ed elio. Una galassia ricca di stelle e detriti stellari dovrebbe avere elementi più pesanti come l'ossigeno, ma QSO1 ha una metallicità estremamente bassa, inferiore allo 0.5% di quella del Sole, il che implica che QSO1 abbia un ambiente galattico molto incontaminato.

L'enorme massa di QSO1 rispetto alla sua galassia ospite suggerisce che non si sia formato per fusione e alimentazione graduale di buchi neri più piccoli di massa stellare. Apparentemente, il buco nero del Piccolo Punto Rosso QSO1 è antecedente al processo di evoluzione stellare. Potrebbe essersi evoluto da un seme massiccio formatosi nel primo secondo del Big Bang (buco nero primordiale) o un po' più tardi dal collasso di una gigantesca nube di gas (buco nero da collasso diretto) e potrebbe trovarsi nelle prime fasi di formazione di una galassia attorno a sé. Al momento non è possibile stabilire se il buco nero supermassiccio del Piccolo Punto Rosso QSO1 sia un buco nero primordiale (PBH) o un buco nero da collasso diretto (DCBH); tuttavia, esistono prove di formazione non stellare di buchi neri nell'universo primordiale.

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Riferimenti: 

1. Maiolino R., et al 2026. Un buco nero in una galassia quasi incontaminata 700 milioni di anni dopo il Big Bang. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 548, Numero 1, Maggio 2026, staf2109. Pubblicato il 06 aprile 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. et al. Una misurazione diretta della massa del buco nero in un piccolo punto rosso ad alto redshift. Nature 653, 1017–1021 (2026). Pubblicato il 27 maggio 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. Il telescopio Webb della NASA rivela un buco nero formatosi prima della sua galassia. Pubblicato il 27 maggio 2026. Disponibile all'indirizzo https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

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