I buchi neri supermassicci nell’universo primordiale sfidano le teorie cosmologiche

Rappresentazione artistica della regione centrale luminosa di un quasar, una galassia attiva. Il buco nero supermassiccio al centro è circondato da un disco luminoso di gas e polvere. La componente di polvere più esterna può oscurare la vista dell’interno e brilla principalmente nella gamma del medio infrarosso, luce che può essere analizzata dal telescopio spaziale James Webb. Un fascio di particelle ad alta energia emerge nello spazio dalle immediate vicinanze del buco nero perpendicolarmente al disco. Copyright: © T. Müller / MPIA

Sorprendentemente non sorprende: il buco nero pesava già più di un miliardo di masse solari nell’universo primordiale, nonostante il suo appetito medio.

Osservando le fasi iniziali dell’universo, che ha 13,8 miliardi di anni, Telescopio spaziale James Webb Ha osservato una galassia così come esisteva solo 700 milioni di anni fa la grande esplosione. È sconcertante come Buco nero I buchi neri al suo centro avrebbero già pesato un miliardo di masse solari quando l’universo era ancora agli inizi. Le osservazioni di James Webb avevano lo scopo di dare uno sguardo più da vicino al meccanismo di alimentazione, ma non ha trovato nulla di straordinario. Chiaramente, i buchi neri stavano già crescendo in modo simile a quanto accade oggi. Ma la scoperta è ancora più importante: mostra che gli astronomi sanno meno di quanto pensassero su come si formano le galassie. Tuttavia, le misurazioni non sono affatto deludenti. Anzi.

Il mistero dei primi buchi neri

I primi miliardi di anni di storia dell’universo rappresentano una sfida importante: i più antichi buchi neri conosciuti al centro delle galassie avevano masse sorprendentemente massicce. Come è diventato così grande così in fretta? Le nuove osservazioni qui descritte forniscono una forte prova contro alcune delle spiegazioni proposte, in particolare contro la “modalità di alimentazione ultra efficiente” dei primi buchi neri.

Limiti alla crescita dei buchi neri supermassicci

Le stelle e le galassie sono cambiate radicalmente negli ultimi 13,8 miliardi di anni, l’età dell’universo. Le galassie sono diventate più grandi e hanno acquisito più massa, consumando il gas che le circonda o (a volte) fondendosi tra loro. Per molto tempo gli astronomi hanno ipotizzato che i buchi neri massicci al centro delle galassie sarebbero gradualmente cresciuti insieme alle galassie stesse.

Ma la crescita del buco nero non può essere arbitrariamente veloce. Il materiale che cade sul buco nero forma un “disco di accrescimento” caldo e luminoso. Quando ciò accade attorno a un buco nero supermassiccio, il risultato è un nucleo galattico attivo. I più luminosi di questi oggetti, conosciuti come quasar, sono tra gli oggetti astronomici più luminosi dell’intero universo. Ma questa 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 così rapidamente?

Ecco perché gli astronomi sono rimasti sorpresi quando le osservazioni di quasar distanti negli ultimi 20 anni hanno rivelato buchi neri appena formati, la cui massa tuttavia raggiungeva i dieci miliardi di masse solari. La luce impiega molto tempo per viaggiare da un oggetto distante a noi, quindi guardare oggetti distanti significa guardare nel lontano passato. Vediamo i quasar più lontani conosciuti così come esistevano in un’era conosciuta come “l’alba dell’universo”, meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang, quando si formarono le prime stelle e galassie.

Spiegare questi primi buchi neri massicci rappresenta una grande sfida per gli attuali modelli di evoluzione delle galassie. I primi buchi neri potrebbero essere più efficienti nell’accumulare gas rispetto ai loro omologhi moderni? Oppure la presenza di polvere potrebbe influenzare le stime della massa dei quasar in un modo tale da portare i ricercatori a sovrastimare la massa dei primi buchi neri? Al momento vengono proposte molte spiegazioni, ma nessuna è ampiamente accettata.

Uno sguardo più da vicino alla crescita iniziale di un buco nero

Determinare quali spiegazioni siano corrette, se ce ne sono, richiede un quadro più completo dei quasar rispetto a quello precedentemente disponibile. Con l’avvento del telescopio spaziale James Webb, e in particolare dello strumento nel medio infrarosso MIRI, la capacità degli astronomi di studiare quasar distanti ha fatto un enorme passo avanti. Quando si misura lo spettro di quasar distanti, il MIRI è circa 4.000 volte più sensibile di qualsiasi dispositivo precedente.

Strumenti come MIRI sono costruiti da consorzi internazionali, dove scienziati, ingegneri e tecnici lavorano a stretto contatto. Naturalmente, il consorzio è molto interessato a verificare se il loro strumento funziona come previsto. In cambio della realizzazione dello strumento, al consorzio viene generalmente concesso un certo periodo di tempo per il monitoraggio. Nel 2019, anni prima del lancio di JWST, il Consorzio europeo MIRI ha deciso di utilizzare parte di quel tempo per osservare quello che allora era il quasar più distante conosciuto, un oggetto soprannominato J1120+0641.

Osservando uno dei buchi neri più antichi

Le osservazioni sono state analizzate dalla dottoressa Sarah Bosman, ricercatrice post-dottorato presso l’Istituto Max Planck per l’astronomia e membro del consorzio europeo MIRI. I contributi di MPIA al dispositivo MIRI includono la costruzione di una serie di parti interne chiave. A Boseman 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 del James Webb Telescope, e sono durate circa due ore e mezza. Rappresenta il primo studio nel medio infrarosso di un quasar durante il periodo dell’alba cosmica, appena 770 milioni di anni dopo il Big Bang (redshift z=7). L’informazione non proviene da un’immagine, ma da uno spettro: la scomposizione della luce di un oggetto in componenti di diverse lunghezze d’onda, simili a un arcobaleno.

Traccia polvere e gas in rapido movimento

La forma generale dello spettro del medio infrarosso (“continuo”) codifica le caratteristiche di un grande anello di polvere che circonda il disco di accrescimento nei tipici quasar. Questo anello aiuta a dirigere la materia nel disco di accrescimento, “alimentando” il buco nero. La cattiva notizia per coloro che preferiscono risolvere il problema dei primi buchi neri massicci risiede nei metodi alternativi di crescita rapida: l’anello, e quindi il meccanismo di alimentazione in questo primissimo quasar, sembra essere lo stesso delle sue controparti più moderne. L’unica differenza è qualcosa che nessun modello della rapida crescita dei quasar aveva previsto: la temperatura della polvere è leggermente più alta, circa un centinaio di Kelvin più calda dei 1.300 Kelvin riscontrati nella polvere più calda dei quasar meno distanti.

La parte dello spettro con lunghezze d’onda più corte, dominata dalle emissioni dello stesso disco di accrescimento, mostra a noi osservatori distanti che la luce del quasar non è attenuata da più polvere del solito. Anche le argomentazioni secondo cui potremmo sovrastimare la massa iniziale del buco nero a causa della polvere extra non sono la risposta.

I primi quasar “incredibilmente normali”

Anche la regione con i contorni di un 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. Secondo quasi tutte le caratteristiche che si possono dedurre dallo spettro, J1120+0641 non è diverso dai quasar di epoche successive.

“Nel complesso, le nuove osservazioni accrescono il mistero: i primi quasar erano sorprendentemente normali. Non importa a quale lunghezza d’onda li osserviamo, i quasar sono quasi identici in tutte le epoche dell’universo”, dice Bosman. Non solo gli stessi buchi neri supermassicci, ma anche i loro meccanismi di alimentazione erano pienamente “maturi” quando l’universo aveva solo il 5% della sua età attuale. Escludendo una serie di soluzioni alternative, i risultati supportano fortemente l’idea che i buchi neri supermassicci abbiano avuto grandi masse fin dall’inizio, nella terminologia astronomica: “primordiali” o “massicci”. I buchi neri supermassicci non si sono formati dai resti delle prime stelle, ma poi sono cresciuti molto rapidamente. Devono essersi formati presto con masse iniziali di almeno 100.000 masse solari, forse a causa del collasso di massicce nubi di gas primordiali.

Riferimento: “Un quasar maturo all’alba dell’universo rilevato dalla spettroscopia infrarossa a telaio stazionario JWST” di Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso Herrero, Martin J. Ward, Goran Östlin, Thomas R. Greif, Gillian Wright, Arjan Beck, Leandert Bogarde, Karina Capote, Luca Constantin, Andreas Eckart, Macarena Garcia Marin, Stephen Gelmann, Jens Hjorth, Edoardo Ianni, Olivier Ilbert, Iris German, Alvaro Labiano, Daniel Langerudi, Florian Biesker, Pierluigi Rinaldi , Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Godel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom B. Ray, Ewen F. Van Deschock e Bart Vandenbosche, 17 giugno 2024, Astronomia naturale.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0