Come sapete, i buchi neri sono molto difficili da rilevare perché sono neri come lo spazio che li circonda. Possiamo individuare la posizione dei buchi neri solo in circostanze speciali, come quando espellono gas da una stella vicina o si fondono insieme, liberando un flusso di onde gravitazionali. Quindi quanti buchi neri ci sono? Per rispondere a questa domanda, gli astronomi devono ricorrere a calcoli teorici per fare stime.
Ingredienti di un buco nero
Per creare un buco nero, devi creare stelle, perché i buchi neri sono creati dalla morte delle stelle. Pertanto, per scoprire quanti buchi neri ci sono nell'universo, i ricercatori hanno dovuto fare qualche passo indietro.
Il primo passo è modellare l'evoluzione delle galassie in miliardi di anni di storia cosmica. Le galassie sono la casa delle stelle, dopotutto, e la loro evoluzione complessiva influenza il numero di stelle di ogni tipo che appaiono al loro interno. Ad esempio, alcune galassie possono formare costantemente nuove stelle anno dopo anno. Altri possono sperimentare fusioni che producono una formazione stellare incredibilmente intensa, ma poi si esauriscono e non fanno nulla di degno di nota.
Gli astronomi hanno osservato le statistiche delle galassie nel corso del tempo cosmico, rilevando una tendenza generale nel tasso di fusioni di galassie e nei dati demografici. Un altro fattore chiave è la cosiddetta "metallicità" di una galassia, che è una misura della quantità di elementi diversi dall'idrogeno e dall'elio all'interno della galassia (gli astronomi li chiamano "metalli"). Le galassie più grandi hanno più gas, il che consente loro di formare più stelle. Ma più metalli possono migliorare il raffreddamento del gas, che a sua volta aiuta le galassie a produrre nuove stelle in modo più efficiente.
La ricetta del buco nero
Usando questi mattoni, gli astronomi hanno un modello della popolazione stellare nelle galassie che dice loro quante stelle piccole, medie e grandi appaiono nell'universo. E poi avevano bisogno di tracciare l'evoluzione – e soprattutto la morte – di queste stelle. Per fare ciò, si sono rivolti alla modellazione, che mette in relazione le proprietà di una specifica stella (la sua massa e metallicità) alla sua vita e alla sua possibile morte. Solo una frazione delle stelle più grandi dà origine a buchi neri e questa simulazione dice agli astronomi quale percentuale di stelle nella galassia si estingue ogni anno.
Gli astronomi hanno quindi dovuto tracciare l'evoluzione dei sistemi binari, poiché i buchi neri possono nutrirsi delle loro stelle sorelle, reintegrandole con il gas. Pertanto, un buco nero formato in un sistema binario alla fine si rivelerà più grande di un buco nero nato da solo.
Con l'invecchiamento, i buchi neri continuano a nutrirsi di qualsiasi gas circostante, cosa che anche gli astronomi hanno apprezzato. Infine, a volte i buchi neri si ritrovano nell'oscurità dello spazio interstellare e si fondono insieme. Pertanto, per effettuare un'indagine accurata, gli astronomi hanno dovuto stimare il tasso di fusione dei buchi neri in ciascuna galassia.
Un ampio censimento dei buchi neri
Mettendo tutto insieme, gli astronomi sono stati in grado di tracciare la popolazione dei buchi neri per miliardi di anni. Hanno creato una cosiddetta "funzione di massa", che è una specie di censimento astronomico di quanti buchi neri di ogni dimensione esistono in un dato momento.
Non sorprende che i buchi neri più grandi, chiamati buchi neri supermassicci, siano molto più rari delle loro controparti più piccole. I ricercatori hanno scoperto che in ogni megaparsec cubico di spazio (dove un megaparsec è 1 milione di parsec, o 3,26 milioni di anni luce), il nostro universo contiene circa 50 milioni di buchi neri con la massa del Sole. Se ogni buco nero è diverse volte la massa del Sole, ciò significa circa 10 milioni di singoli buchi neri nello stesso volume.
Per mettere questo in prospettiva, la quantità totale di massa contenuta nei buchi neri è circa il 10% della massa contenuta nelle stelle. Quindi, tra tutte le stelle che vedi nel cielo notturno, si nascondono molti buchi neri. I buchi neri supermassicci, d'altra parte, sono estremamente rari e ogni galassia ospita solitamente uno solo di questi mostri. In totale, i buchi neri costituiscono oggi circa l'1% di tutta la materia barionica (non oscura) nell'universo.
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