La scienza è abbastanza precisa su come si forma la maggior parte dei buchi neri: una stella massiccia muore e, dopo essere diventata una supernova, la massa rimanente (se ce n'è abbastanza) collassa sotto la propria forza gravitazionale, lasciando dietro di sé un buco nero con una massa tra le 5 e le 50 volte la massa del Sole. Ma ciò che questa storia non spiega è come si formano i buchi neri supermassicci (SMBH dall'inglese Supermassive Black Holes), soprattutto quelli emersi solo 690 milioni di anni dopo il Big Bang. In termini cosmici questo lasso di tempo equivale ad un battito di ciglia, non abbastanza per far nascere una stella, farla morire collassando in un buco nero e mangiare abbastanza da diventare un buco nero enorme. Su questo argomento esistono diverse teorie ma la più recente, tira in ballo gli aloni di materia oscura.

La materia oscura è un'ipotetica componente della materia che, a differenza della materia conosciuta, non emetterebbe radiazione elettromagnetica. Si ritiene che un alone di questa materia invisibile circondi la Via Lattea e le altre galassie, o ammassi di galassie. Tuttavia, sebbene questa componente esotica della materia non sia mai stata rilevata direttamente, i fisici sono fiduciosi che esista e costituisca l'85% della materia dell'universo.

"I fisici sono perplessi nell'osservare che i SMBH dell'universo primordiale, che si trovano nelle regioni centrali degli aloni di materia oscura, crescono così massicciamente e in breve tempo", ha detto Hai-Bo Yu, professore di fisica e astronomia presso l'UC Riverside, primo autore delo studio pubblicato su Astrophysical Journal Letters. "È come un bambino di 5 anni che pesa, diciamo, 90 chilogrammi. Un bambino del genere ci stupirebbe tutti perché conosciamo il peso tipico di un neonato e quanto velocemente può crescere. Quando si tratta di buchi neri, i fisici hanno aspettative generali sulla massa di un buco nero neonato e sul suo tasso di crescita. La presenza di SMBH suggerisce che queste aspettative generali siano state violate, richiedendo nuove conoscenze. E questo è eccitante".

"Possiamo pensare a due ragioni", ha aggiunto Yu. "O il baby buco nero è molto più massiccio o cresce molto più velocemente di quanto pensassimo, o entrambi. La domanda che sorge, allora, è quali sono i meccanismi fisici per produrre un buco nero sufficientemente massiccio o raggiungere un tasso di crescita abbastanza veloce?"

"Ci vuole tempo perché i buchi neri diventino massicci grazie all'accrescimento della materia circostante", ha detto il co-autore Yi-Ming Zhong, ricercatore presso il Kavli Institute for Cosmological Physics dell'Università di Chicago. "Il nostro articolo mostra che se la materia oscura interagisce con sé stessa, allora il collasso graviotermico di un alone può portare a un buco nero neonato abbastanza massiccio. Il suo tasso di crescita sarebbe più coerente con le aspettative generali".

In astrofisica, un meccanismo generalmente utilizzato per spiegare gli SMBH è il collasso del gas incontaminato nelle protogalassie nell'universo primordiale.
"Questo meccanismo, tuttavia, non può produrre un buco nero neonato abbastanza massiccio da ospitare un SMBH come quelli osservati, a meno che il buco nero baby non abbia avuto un tasso di crescita estremamente rapido", ha detto Yu. "Il nostro lavoro fornisce una spiegazione alternativa: un alone di materia oscura auto-interagente sperimenta instabilità graviotermica e la sua regione centrale collassa in un buco nero bambino".

Secondo i fisici, le particelle di materia oscura si raggruppano sotto l'influenza della gravità e formano un alone di materia oscura. Durante l'evoluzione dell'alone, operano due forze in competizione: gravità e pressione.
Mentre la gravità attira le particelle di materia oscura verso l'interno, la pressione le spinge verso l'esterno. Se le particelle di materia oscura non hanno auto-interazioni, allora, quando la gravità le porta verso la zona centrale dell'alone, diventano più calde, cioè si muovono più velocemente, la pressione aumenta efficacemente e rimbalzano indietro. Invece, nel caso della materia oscura auto-interagente, le auto-interazioni possono trasportare il calore dalle particelle "più calde" a quelle vicine più fredde, rendendo più difficile il rimbalzo.

Yu ha spiegato che l'alone centrale, che collasserebbe in un buco nero, ha un momento angolare, cioè ruota ma le auto-interazioni possono indurre viscosità, o "attrito", che dissipa il momento angolare. Quindi, durante il processo di collasso, l'alone centrale, che ha una massa fissa, si restringe di raggio e rallenta in rotazione a causa della viscosità. Mentre l'evoluzione continua, l'alone centrale alla fine collassa in una singolarità: una sorta di buco nero "seme". Questo può diventare più massiccio accrescendo dalla materia barionica (o visibile) circostante, come gas e stelle. Quindi, alla fine, l'idea ha bisogno anche della materia ordinaria per funzionare.
"Il vantaggio del nostro scenario è che la massa del buco nero seme può essere elevata poiché è prodotta dal collasso di un alone di materia oscura", ha detto Yu. "Quindi, può trasformarsi in un buco nero supermassiccio in un lasso di tempo relativamente breve".