L’osservazione di buchi neri con masse comprese tra 50 e 130 masse solari ha da sempre rappresentato un paradosso per gli astrofisici. In questa fascia di massa, le stelle progenitrici dovrebbero esplodere completamente attraverso supernove di tipo «pair-instability», senza lasciare alcun residuo compatto. Eppure, i rivelatori LIGO/Virgo hanno registrato fusioni che producono buchi neri proprio in questa zona proibita, ponendo un serio ostacolo ai modelli classici di evoluzione stellare.
A novembre 2023, la collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA ha rilevato un buco nero risultante da una fusione con una massa di ben 255 masse solari, situato in quella chiamata “upper-mass gap” (tra 100 e 140 masse solari). Un risultato che sfida i modelli standard, i quali prevedono che stelle così massicce non possano lasciare buchi neri, ma vengano completamente distrutte.
Buchi neri impossibili: le scoperte che mettono in crisi la fisica
Oltre alla massa, ciò che rende l’evento ancora più sorprendente è lo spin del buco nero risultante, stimato tra l’80% e il 90% della velocità massima consentita dalla relatività generale. Si tratta di valori mai osservati prima, che richiedono nuove spiegazioni su come buchi neri così veloci possano formarsi.
Un altro tipo di “impossibile” riguarda buchi neri in fase di fortissimo accrescimento: l’oggetto LID-568, osservato circa 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang, sembra nutrirsi a tassi ben 40 volte superiori al limite teorico di Eddington, che impone un equilibrio tra gravità e pressione della radiazione. Si tratta di un evento che mette in discussione le nozioni consolidate sul ritmo di accrescimento massimo possibile.
Il James Webb Space Telescope ha rivelato buchi neri supermassicci in galassie dell’universo primordiale, troppo grandi per essere spiegati dall’accrescimento graduale dopo lo stadio stellare. Una teoria alternativa prevede la formazione diretta di buchi neri da nubi di gas estremamente dense—i cosiddetti “heavy seeds”—una via più rapida rispetto alle “light seeds” da resti stellari. il caso della cosiddetta Infinity Galaxy potrebbe essere la prima prova di un buco nero formato in questo modo.
Verso una nuova comprensione dei buchi neri
Per spiegare la presenza precoce nel tempo cosmico di buchi neri supermassicci, alcuni ricercatori propongono che una forma rara di materia oscura — capace di auto-interagire — abbia favorito la formazione di semi di buchi neri agrappandosi al centro delle galassie primordiali e facilitando la loro rapida crescita.
Sul versante teorico, una recente dimostrazione matematica ha smantellato una legge ritenuta inviolabile: secondo la terza legge della termodinamica dei buchi neri, stabilita da Bardeen, Carter e Hawking nel 1973, sarebbe impossibile formare un buco nero “estremale” (con superficie gravitazionale nulla) in tempo finito. Christoph Kehle e Unger hanno tuttavia sfidato questa convinzione, dimostrando che si può arrivare a tali condizioni senza distruggere l’orizzonte degli eventi, aprendo potenzialmente la strada agli “extremal black holes”.
Queste scoperte, tanto osservative quanto teoriche, dimostrano che i buchi neri hanno ancora molti misteri da rivelare. Non solo la massa e lo spin appaiono più sfidanti del previsto, ma anche le modalità con cui crescono o si formano possono rappresentare vere eccezioni alle regole conosciute. La prossima sfida sarà integrare questi fenomeni nei modelli cosmologici, per ricostruire una visione coerente di come i buchi neri, anche quelli apparentemente “impossibili”, abbiano plasmato l’evoluzione dell’universo.
Foto di NASA Hubble Space Telescope su Unsplash
