Il dilemma cosmico dell'uovo e della gallina: sono nate prima le stelle o i buchi neri?

Viviamo circondati da situazioni in cui questo dilemma può essere applicato: cosa è nato prima, l'uovo o la gallina? Qui affronterò un problema molto attuale, nel campo dell'astrofisica, che riguarda i processi di formazione delle galassie. Approfondiremo l'argomento. Presenteremo il problema utilizzando concetti telegrafici, che abbiamo già discusso, e invitiamo il lettore a consultare altri articoli in questa sezione.

Le galassie non sono sempre esistite. C'è stato un tempo, quasi 13 miliardi di anni fa, in cui non c'erano stelle, solo un brodo di materia, luce ed energia oscura . Un universo non statico non piaceva a Einstein, ma le sue stesse equazioni – nelle mani di Lemaître, Leavitt e Hubble – gli dimostrarono che si sbagliava.

Le galassie stanno morendo. Galassie come la nostra, quelle bellissime spirali ed ellittiche vicine, stanno morendo , o sono già morte. Basta confrontare quante stelle si stanno formando oggi con quante ne ospitano. I conti non tornano : al ritmo attuale, la Via Lattea impiegherebbe diverse vite per formare quelle che ha già. Pertanto, le galassie del passato devono essere state molto più attive nella formazione stellare, cosa che abbiamo confermato studiando l'Universo quando aveva circa la metà della sua età attuale.

Qualcosa sta bloccando la formazione stellare. Dato che solo una piccola percentuale del materiale disponibile – prevalentemente idrogeno – finisce per trasformarsi in stelle, qualcosa deve bloccare questo processo. E il colpevole , secondo la teoria più accreditata tra gli astrofisici, è il buco nero supermassiccio che si trova nel nucleo di tutte le galassie. Questi buchi neri supermassicci hanno in genere una massa pari a un millesimo della massa stellare della galassia che li ospita, eppure esercitano un'influenza straordinaria sull'evoluzione del cosmo.

Questa teoria stabilisce che a un certo punto dell'universo primordiale, forse 100 o 200 milioni di anni dopo il Big Bang – non sappiamo ancora esattamente quando – le prime stelle iniziarono a formarsi con la condensazione del gas primordiale (principalmente idrogeno, ma anche un po' di elio e una piccolissima quantità di altri elementi come il litio ). E così nacquero le prime galassie, dove, in qualche modo, apparvero e crebbero buchi neri supermassicci. Attraverso processi che chiamiamo feedback negativo, questi buchi neri supermassicci alla fine impedirono al gas di continuare ad avere le proprietà adatte a formare stelle, perché l'energia rilasciata dal buco nero impedisce al gas di condensarsi in galassie. Quindi quello che avremmo sarebbe un processo di formazione stellare, poi la formazione di un buco nero supermassiccio, e infine questo arresterebbe la formazione stellare.

Ma il telescopio spaziale JWST sta cambiando questa visione forse molto ingenua. Stiamo scoprendo una moltitudine di galassie molto distanti – cioè galassie che esistevano quando l'universo era molto giovane – che già ospitavano buchi neri supermassicci. Ed erano molto, molto grandi quando l'universo aveva meno del 10% della sua età attuale! Persino tra, diciamo, le dieci galassie più distanti che conosciamo, con una distanza pienamente confermata, la metà potrebbe avere buchi neri massicci quanto la Via Lattea stessa – circa un milione di soli, o anche un po' più grandi. Sono così grandi che la loro massa potrebbe essere maggiore della massa stellare delle galassie ospiti in quell'universo giovane. Nota il verbo condizionale: stiamo ancora verificando i nostri calcoli. Abbiamo anche scoperto oggetti che potrebbero avere masse ancora maggiori solo un po' più tardi, nel primo 15% della storia dell'universo, i cosiddetti piccoli puntini rossi . È molto difficile spiegare come buchi neri così grandi abbiano potuto formarsi in così poco tempo e in galassie con così poche stelle.

Ed ecco che arriva il dilemma dell'uovo e della gallina. Il processo è stato davvero quello per cui le stelle si sono formate, poi si sono creati i buchi neri, poi i buchi neri sono cresciuti, e infine i buchi neri hanno finalmente fermato la formazione stellare? O forse i buchi neri hanno preceduto le prime stelle, poi i soli hanno iniziato a formarsi, poi i buchi neri sono cresciuti, e infine le galassie sono morte? Chiamate i buchi neri l'uovo e chiamate le stelle la gallina, o viceversa.

La domanda non è banale. Se i buchi neri supermassicci esistevano prima delle stelle, forse hanno favorito la formazione dei soli, solo per poi fare esattamente il contrario, impedendone la formazione di altri. Se i buchi neri esistevano già, la loro origine non può essere stellare, che è l'origine per la quale disponiamo di molti dati; sappiamo quali stelle formano buchi neri (ma sono minuscoli rispetto a questi supermassicci). Quindi cosa è successo? Sono sempre stati lì? Si sono formati attraverso un processo non ancora osservato, e forse completamente sconosciuto, o noto ma non dimostrato?

Il dilemma dell'uovo e della gallina non è nuovo. Sembra che Aristotele l'abbia già affrontato, nella sua ricerca di cause ed effetti e del primo motore immobile. Tutti i polli nascono dalle uova, e tutte le uova generano polli. Non sembra possibile che esista l'uno senza l'altro e viceversa, tralasciando le disquisizioni sull'evoluzione delle specie (sì, c'erano le uova prima dei polli). Esiste una sequenza infinita, e Aristotele concluse che non c'è origine; nulla può venire prima in quella sequenza. Se nulla può venire prima, allora mettiamo in discussione il concetto di tempo. In effetti, Plutarco sembra essersi chiesto, riflettendo sullo stesso problema, se il mondo abbia avuto un inizio. E da lì possiamo passare a discutere della creazione e addentrarci nella teologia. Non è il mio campo di competenza, né è l'ambito di competenza di questa sezione.

Vuoto Cosmico è una sezione che presenta la nostra conoscenza dell'universo in termini sia qualitativi che quantitativi. Mira a spiegare l'importanza di comprendere il cosmo non solo da una prospettiva scientifica, ma anche filosofica, sociale ed economica. Il nome "vuoto cosmico" si riferisce al fatto che l'universo è, e lo è, per la maggior parte, vuoto, con meno di un atomo per metro cubo, nonostante, paradossalmente, ci siano quintilioni di atomi per metro cubo nel nostro ambiente, il che invita a riflettere sulla nostra esistenza e sulla presenza di vita nell'universo. La sezione è composta da Pablo G. Pérez González , ricercatore presso il Centro di Astrobiologia, ed Eva Villaver , vicedirettrice dell'Instituto de Astrofísica de Canarias.