Guardando indietro, è diventato chiaro che La luce proveniente dalla galassia chiamata J1120+0641 ha impiegato quasi lo stesso tempo per raggiungere la Terra come l’universo ha iniziato a svilupparsi fino ad oggi. È inspiegabile come il buco nero al suo centro possa poi pesare più di un miliardo di masse solari, come dimostrato da misurazioni indipendenti
Recenti osservazioni del materiale in prossimità del buco nero avrebbero dovuto rivelare un meccanismo di alimentazione particolarmente efficiente, ma non hanno trovato nulla di speciale. Questo risultato è ancora più straordinario: potrebbe significare questo Gli astrofisici capiscono meno di quanto pensassero sullo sviluppo delle galassie. Eppure non deludono affatto.
Questi risultati sono pubblicati sulla rivista Astronomia della natura.
I primi miliardi di anni di storia cosmica rappresentano una sfida: il primo I buchi neri conosciuti al centro delle galassie hanno masse sorprendentemente grandi. Come sono diventati così massicci così in fretta? Le nuove osservazioni qui descritte forniscono una forte prova contro alcune spiegazioni proposte, in particolare contro una “modalità di alimentazione ultra efficiente” per i primi buchi neri.
I limiti alla crescita di un buco nero supermassiccio
Le stelle e le galassie sono cambiate notevolmente durante l’ultimo 13,8 miliardi di anni, la vita dell’universo. Le galassie sono cresciute e hanno guadagnato più massa, consumando il gas circostante o (occasionalmente) fondendosi tra loro. Per molto tempo, Gli astronomi hanno ipotizzato che i buchi neri supermassicci al centro delle galassie sarebbero gradualmente cresciuti insieme alle galassie stesse..
Ma la crescita dei buchi neri non può essere arbitrariamente veloce. La materia che cade su un buco nero forma un “disco di accrescimento“luminoso, caldo e rotante. Quando ciò accade attorno a un buco nero supermassiccio, il risultato è un nucleo galattico attivo. Gli oggetti più luminosi, conosciuti come quasar, sono tra gli oggetti astronomici più luminosi dell’intero cosmo. Ma quella luminosità limita la quantità di materia che può cadere sul buco nero: la luce esercita una pressione che può impedire la caduta di altra materia.
Come hanno fatto i buchi neri a diventare così massicci e così veloci?
Ecco perché gli astronomi sono rimasti sorpresi quando, negli ultimi vent’anni, le osservazioni di quasar distanti hanno rivelato buchi neri molto giovani che però era arrivato masse fino a 10 miliardi di masse solari . La luce impiega tempo per viaggiare da un oggetto distante a noi, quindi guardare oggetti distanti significa guardare nel lontano passato. Vediamo i quasar più lontani conosciuti come erano in un’era conosciuta come “alba cosmica“, meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang, quando si formarono le prime stelle e galassie.
Spiegare quei primi buchi neri massicci è una sfida considerevole per gli attuali modelli di evoluzione delle galassie. Potrebbe essere che i primi buchi neri fossero molto più efficienti nell’accumulare gas rispetto alle loro controparti moderne? Oppure la presenza di polvere potrebbe influenzare le stime della massa dei quasar in un modo tale da indurre i ricercatori a sovrastimare le masse dei primi buchi neri? Al momento vengono proposte numerose spiegazioni, ma nessuna è ampiamente accettata.
Uno sguardo più da vicino alla crescita iniziale dei buchi neri
Decidere quale spiegazione (se presente) sia corretta richiede un quadro più completo dei quasar rispetto a quello precedentemente disponibile. Con l’arrivo di Telescopio spaziale JWST, in particolare lo strumento nel medio infrarosso MIRI del telescopio, la capacità degli astronomi di studiare quasar distanti ha fatto un passo da gigante. Per misurare gli spettri di quasar distanti, Il MIRI è 4.000 volte più sensibile di qualsiasi strumento precedente.
Strumenti come MIRI sono costruiti da consorzi internazionali, in cui scienziati, ingegneri e tecnici lavorano a stretto contatto. Naturalmente un consorzio è molto interessato a vedere se il suo strumento funziona come previsto.
In cambio della realizzazione dello strumento, i consorzi ricevono generalmente un certo periodo di tempo di osservazione. Nel 2019, anni prima del lancio del JWST, il Il Consorzio europeo MIRI decise di utilizzare parte di questo tempo per osservare quello che allora era il quasar più distante conosciuto.un oggetto recante la designazione J1120+0641.
Osservando uno dei primi buchi neri
L’analisi delle osservazioni è spettata al Dott. Sarah Bosmann, ricercatore post-dottorato presso il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) e membro del consorzio europeo MIRI. I contributi di MPIA allo strumento MIRI includono la costruzione di una serie di parti interne chiave. A Bosman è stato chiesto di unirsi alla collaborazione MIRI specificamente per fornire competenze su come utilizzare al meglio lo strumento per studiare l’universo primordiale, in particolare i primi buchi neri supermassicci.
Le osservazioni sono state effettuate nel gennaio 2023, durante il primo ciclo di osservazioni JWST, ed è durato circa due ore e mezza. Costituiscono il primo studio nel medio infrarosso di un quasar nel periodo dell’alba cosmica, appena 770 milioni di anni dopo il Big Bang (spostamento verso il rosso z=7). L’informazione non proviene da un’immagine, ma da uno spettro: la decomposizione a forma di arcobaleno della luce dell’oggetto in componenti di diverse lunghezze d’onda.
Tracciamento di polveri e gas in rapido movimento
La forma generale dello spettro del medio infrarosso (“continuo”) codifica le proprietà di un grande toro di polvere che circonda il disco di accrescimento nei tipici quasar. Questo toro aiuta a guidare la materia verso il disco di accrescimento, “alimentando” il buco nero.
La cattiva notizia per coloro la cui soluzione preferita ai primi buchi neri massicci risiede in modalità alternative di rapida crescita: il toro, e per estensione il meccanismo di alimentazione di questo primissimo quasar, sembra essere lo stesso delle sue controparti più moderne. L’unica differenza è quella che nessun modello di rapida crescita iniziale dei quasar aveva previsto: una temperatura della polvere leggermente più alta, circa un centinaio di Kelvin più calda dei 1.300 K riscontrati per la polvere più calda nei quasar meno distanti.
La parte dello spettro con lunghezze d’onda più corte, dominata dalle emissioni dello stesso disco di accrescimento, mostra che per noi osservatori distanti, la luce del quasar non è attenuata da più polvere del solito. Anche le argomentazioni secondo cui forse stiamo semplicemente sopravvalutando le masse dei primi buchi neri a causa della polvere aggiuntiva non sono la soluzione.
I primi quasar sono “sorprendentemente normali”
Anche la regione a linea larga del quasar, dove grumi di gas orbitano attorno al buco nero a velocità prossime a quella della luce, consentendo deduzioni sulla massa del buco nero e sulla densità e ionizzazione della materia circostante, appare normale. In quasi tutte le proprietà deducibili dallo spettro, J1120+0641 non è diverso dai quasar dei tempi successivi.
“Nel complesso, le nuove osservazioni non fanno altro che aumentare il mistero: i primi quasar erano sorprendentemente normali. Non importa a quale lunghezza d’onda li osserviamo, i quasar sono quasi identici in ogni momento dell’universo“, dice Bosman. Non solo i buchi neri supermassicci stessi, ma anche i loro meccanismi di alimentazione erano apparentemente già completamente “maturi” quando l’universo aveva solo il 5% della sua età attuale.
Escludendo una serie di soluzioni alternative, i risultati supportano fortemente questa idea I buchi neri supermassicci sono nati fin dall’inizio con masse considerevoli, in gergo astronomico: sono “primordiali” o “a grandi semi”. I buchi neri supermassicci non si sono formati dai resti delle prime stelle e poi sono diventati massicci molto rapidamente. Devono essersi formati presto con masse iniziali di almeno centomila masse solari, presumibilmente attraverso il collasso di enormi nubi di gas primordiali.
Riferimento
Sarah Bosman et al. Un quasar maturo all’alba cosmica rivelato dalla spettroscopia infrarossa del frame di riposo JWST, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0
Questa voce è stata pubblicata in Notizie il 29 giugno 2024 da Francisco Martín León
