Un’immagine del James Webb Telescope mostra il quasar J0148 cerchiato in rosso. Due inserti mostrano, in alto, il buco nero centrale e, in basso, l’emissione stellare della galassia ospite.
Gli astronomi del MIT hanno osservato l’elusiva luce stellare che circonda alcuni dei primi quasar dell’universo. Questi segnali lontani, che risalgono a oltre 13 miliardi di anni fa, rivelano indizi su come si sono evoluti i primi buchi neri e le prime galassie.
I quasar sono i centri incandescenti delle galassie attive, che ospitano un buco nero supermassiccio insaziabile nel loro nucleo. La maggior parte delle galassie ospita un buco nero centrale che di tanto in tanto si nutre di gas e detriti stellari, generando una breve esplosione di luce sotto forma di anello incandescente quando il materiale vortica verso il buco nero.
I quasar, invece, possono consumare enormi quantità di materia per periodi di tempo molto più lunghi, generando un anello estremamente luminoso e duraturo, tanto che i quasar sono tra gli oggetti più luminosi dell’universo.
Grazie alla loro luminosità, i quasar sono più luminosi del resto della galassia in cui risiedono. Ma il team del MIT è riuscito per la prima volta a osservare la luce molto più debole delle stelle nelle galassie ospiti di tre antichi quasar.
Sulla base di questa elusiva luce stellare, i ricercatori hanno stimato la massa di ciascuna galassia ospite, rispetto alla massa del suo buco nero supermassiccio centrale. Hanno scoperto che per questi quasar, i buchi neri centrali erano molto più massicci rispetto alle loro galassie ospiti, rispetto alle loro controparti moderne.
I risultati, pubblicati su The Astrophysical Journal, potrebbero far luce su come i primi buchi neri supermassicci siano diventati così massicci pur avendo a disposizione un periodo di tempo cosmico relativamente breve per crescere. In particolare, i primi buchi neri mostruosi potrebbero essere germogliati da “semi” più massicci rispetto ai buchi neri più moderni.
“Dopo la nascita dell’universo, c’erano buchi neri seminali che hanno consumato materiale e sono cresciuti in un tempo molto breve”, spiega l’autore dello studio Minghao Yue, postdoc presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. “Uno dei grandi interrogativi è capire come questi buchi neri mostruosi abbiano potuto crescere così tanto e così velocemente”.
“Questi buchi neri sono miliardi di volte più massicci del sole, in un momento in cui l’universo è ancora agli inizi”, spiega l’autrice dello studio Anna-Christina Eilers, assistente alla cattedra di fisica del MIT. “I nostri risultati implicano che nell’universo primordiale i buchi neri supermassicci potrebbero aver acquisito la loro massa prima delle galassie che li ospitano e che i semi iniziali dei buchi neri potrebbero essere stati più massicci di quelli attuali”.
Tra i coautori di Eilers e Yue figurano il direttore del MIT Kavli Robert Simcoe, l’Hubble Fellow e postdoc del MIT Rohan Naidu e collaboratori in Svizzera, Austria, Giappone e alla North Carolina State University.
Nuclei abbaglianti
L’estrema luminosità di un quasar è stata evidente fin dalla prima scoperta di questi oggetti da parte degli astronomi, negli anni ’60. Si pensava allora che la luce del quasar provenisse da un’unica “sorgente puntiforme” simile a una stella. Allora si ipotizzò che la luce del quasar provenisse da un’unica “sorgente puntiforme” di tipo stellare. Gli scienziati chiamarono gli oggetti “quasar”, come portmanteau di “quasi-stellare”.
Da quelle prime osservazioni, gli scienziati si sono resi conto che i quasar non sono in realtà di origine stellare, ma provengono dall’accrezione di buchi neri supermassicci intensamente potenti e persistenti che si trovano al centro di galassie che ospitano anche stelle, molto più deboli rispetto ai loro nuclei abbaglianti.
È stato estremamente difficile separare la luce del buco nero centrale di un quasar da quella delle stelle della galassia ospite. Il compito è un po’ come discernere un campo di lucciole intorno a un enorme faro centrale. Negli ultimi anni, però, gli astronomi hanno avuto maggiori possibilità di farlo grazie al lancio del James Webb Space Telescope (JWST) della NASA, che è stato in grado di scrutare più indietro nel tempo, con una sensibilità e una risoluzione molto più elevate, rispetto a qualsiasi altro osservatorio esistente.
Nel loro nuovo studio, Yue ed Eilers hanno utilizzato il tempo dedicato del JWST per osservare sei antichi quasar conosciuti, a intermittenza dall’autunno del 2022 alla primavera successiva. In totale, il team ha raccolto più di 120 ore di osservazioni dei sei oggetti lontani.
“Il quasar oscura la sua galassia ospite di ordini di grandezza. E le immagini precedenti non erano abbastanza nitide per distinguere l’aspetto della galassia ospite con tutte le sue stelle“, spiega Yue. “Ora, per la prima volta, siamo in grado di rivelare la luce di queste stelle modellando molto attentamente le immagini molto più nitide di questi quasar realizzate da JWST”.
Un equilibrio di luce
Il team ha esaminato i dati di imaging raccolti da JWST su ciascuno dei sei quasar distanti, che si stima abbiano un’età di circa 13 miliardi di anni. Questi dati includevano misurazioni della luce di ciascun quasar in diverse lunghezze d’onda. I ricercatori hanno inserito questi dati in un modello che valuta la quantità di luce che probabilmente proviene da una “sorgente puntiforme” compatta, come il disco di accrescimento di un buco nero centrale, rispetto a una sorgente più diffusa, come la luce delle stelle circostanti e disperse della galassia ospite.
Attraverso questa modellazione, il team ha distinto la luce di ogni quasar in due componenti: la luce del disco luminoso del buco nero centrale e la luce delle stelle più diffuse della galassia ospite. La quantità di luce proveniente da entrambe le sorgenti è un riflesso della loro massa totale. I ricercatori stimano che per questi quasar, il rapporto tra la massa del buco nero centrale e la massa della galassia ospite fosse di circa 1:10. Questo, secondo i ricercatori, è in linea con la massa della galassia ospite. Questo, hanno capito, è in netto contrasto con l’attuale bilancio di massa di 1:1.000, in cui i buchi neri di recente formazione sono molto meno massicci rispetto alle galassie che li ospitano.
“Questo ci dice qualcosa su cosa cresce per primo: è il buco nero che cresce per primo e poi la galassia lo raggiunge? Oppure sono la galassia e le sue stelle a crescere per prime e a dominare e regolare la crescita del buco nero?”. Spiega Eilers. “Vediamo che i buchi neri nell’universo primordiale sembrano crescere più velocemente delle galassie che li ospitano. Questa è una prova provvisoria che i semi iniziali dei buchi neri potrebbero essere stati più massicci all’epoca”.
“Deve esserci stato un meccanismo che ha fatto sì che un buco nero guadagnasse la sua massa prima della galassia che lo ospitava in quei primi miliardi di anni”, aggiunge Yue. “È la prima prova che vediamo di questo, il che è entusiasmante”.
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