Questo numero potrebbe sembrare impossibile da calcolare; dopotutto, individuare i buchi neri non è esattamente il compito più semplice. Poiché ce ne sono neri come la pece come lo spazio in cui si nascondono, la luce che inghiotte i golia cosmici può essere rilevata solo nelle circostanze più straordinarie, come quando stanno piegando la luce intorno a sè, fagocitando i gas e le stelle che si si trovano troppo vicino, o girando a spirale verso enormi collisioni che scatenano onde gravitazionali.
Ma questo non ha impedito agli scienziati di trovare alcuni modi ingegnosi per indovinarne il numero. Utilizzando un nuovo metodo, delineato il 12 gennaio in The Astrophysical Journal, un team di astrofisici ha prodotto una nuova stima per il numero di buchi neri di massa stellare, quelli con masse da 5 a 10 volte quella del sole, nell'universo.
Ed è sorprendente: 40.000.000.000.000.000.000.000, o 40 quintilioni, di buchi neri di massa stellare popolano l'universo osservabile, costituendo circa l'1% di tutta la materia normale, secondo la nuova stima. Come hanno fatto gli scienziati ad arrivare a quel numero? Seguendo l'evoluzione delle stelle nel nostro universo hanno stimato quanto spesso le stelle, da sole o accoppiate in sistemi binari, si trasformerebbero in buchi neri, ha spiegato il primo autore Alex Sicilia, astrofisico presso la Scuola Internazionale di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste.
"Questo è uno dei primi, e uno dei più robusti, calcoli ab initio della funzione di massa del buco nero stellare attraverso la storia cosmica", ha spiegato Sicilia in una dichiarazione. Per creare un buco nero, è necessario iniziare con una grande stella, una con una massa da cinque a 10 volte quella del Sole. Quando le grandi stelle raggiungono la fine della loro vita, iniziano a fondere elementi sempre più pesanti, come il silicio o il magnesio, all'interno dei loro nuclei infuocati. Ma una volta che questo processo di fusione inizia a formare ferro, la stella è sulla strada della violenta autodistruzione.
Il ferro assorbe più energia per fondersi di quanta ne emetta, facendo sì che la stella perda la sua capacità di contrastare le immense forze gravitazionali generate dalla sua enorme massa. Collassa su se stesso, impacchettando prima il suo nucleo, e poi tutta la materia ad esso vicina, in un punto di dimensioni infinitesimali e densità infinita, una singolarità. La stella diventa un buco nero, e oltre un confine chiamato orizzonte degli eventi, nulla, nemmeno la luce, può sfuggire alla sua attrazione gravitazionale.
Per arrivare alla loro stima, gli astrofisici hanno modellato non solo le vite, ma le pre-vite delle stelle dell'universo. Utilizzando statistiche conosciute di varie galassie, come le loro dimensioni, gli elementi che contengono e le dimensioni delle nubi di gas in cui si formerebbero le stelle, il team ha costruito un modello dell'universo che riflette accuratamente le diverse dimensioni delle stelle che sarebbero state create e quanto spesso sarebbero state create.
Dopo aver individuato il tasso di formazione delle stelle che potrebbero eventualmente trasformarsi in buchi neri, i ricercatori hanno modellato le vite e le morti di quelle stelle, utilizzando dati come la loro massa e un tratto chiamato metallicità, l'abbondanza di elementi più pesanti dell'idrogeno o dell'elio, per trovare la percentuale di stelle candidate che si trasformerebbero in buchi neri. Osservando anche le stelle accoppiate in sistemi binari e calcolando la velocità con cui i buchi neri possono incontrarsi e fondersi, i ricercatori hanno assicurato che non stavano contando due volte i buchi neri nella loro indagine. Hanno anche capito come queste fusioni, insieme ai gas limitrofi fagocitati, influenzerebbero la distribuzione dimensionale dei buchi neri trovati in tutto l'universo.
Con questi calcoli in mano, i ricercatori hanno progettato un modello che ha monitorato la popolazione e la distribuzione dimensionale dei buchi neri di massa stellare nel tempo per calcolare il loro numero. Quindi, confrontando la stima con i dati presi dalle onde gravitazionali, o increspature nello spazio-tempo, formate da fusioni di buchi neri e stelle binarie, i ricercatori hanno confermato che il loro modello era in buon accordo con i dati.
Gli astrofisici sperano di utilizzare la nuova stima per indagare alcune domande sconcertanti che sorgono dalle osservazioni dell'universo primordiale, ad esempio come l'universo primordiale sia diventato così rapidamente popolato da buchi neri supermassicci, spesso con masse milioni, o addirittura miliardi, di volte maggiori dei buchi di massa stellare esaminati dai ricercatori in questo studio.
Poiché questi giganteschi buchi neri provengono dalla fusione di buchi neri più piccoli, di massa stellare, o "semi" di buchi neri, i ricercatori sperano che una migliore comprensione di come si sono formati piccoli buchi neri nell'universo primordiale potrebbe aiutarli a scoprire le origini dei loro cugini supermassicci.