Utilizzando il James Webb Space Telescope (JWST), gli astronomi hanno scoperto un buco nero supermassiccio “estremamente rosso” che cresce nel misterioso universo primordiale.
Il colore rosso del buco nero supermassiccio, visto circa 700 milioni di anni dopo il Big Bang, è il risultato dell'espansione dell'universo. Man mano che l’universo si espande verso l’esterno in tutte le direzioni, la luce diretta verso di noi viene spostata verso il rosso: in questo caso, la luce spostata verso il rosso indica uno spesso mantello di gas e polvere che ricopre il buco nero.
Esaminando i dati del telescopio spaziale James Webb, il team di astronomi guidato da Lukas Furtak e Adi Zitrin dell'Università Ben-Gurion del Negev è riuscito a determinare la massa del buco nero supermassiccio. Ha circa 40 milioni di volte la massa del Sole ed è inaspettatamente massiccio rispetto alla galassia in cui vive.
Il team ha anche scoperto che il buco nero supermassiccio, situato a circa 12,9 miliardi di anni luce dalla Terra, si sta rapidamente nutrendo del gas e della polvere che lo circondano. In altre parole, cresce.
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“Eravamo molto emozionati quando il telescopio spaziale James Webb ha iniziato a trasmettere i suoi primi dati. Stavamo scansionando i dati arrivati per UNCOVER, e tre oggetti rossi molto compatti ma con una fioritura prominente si sono distinti e hanno attirato la nostra attenzione.” Lo ha detto in un comunicato. “Il suo aspetto come un ‘punto rosso’ ci ha portato immediatamente a sospettare che si trattasse di un oggetto simile a un quasar”.
“I tre punti rossi”
I quasar vengono creati quando grandi quantità di materia circondano buchi neri supermassicci come questo. Questo materiale forma un disco di gas e polvere chiamato disco di accrescimento che alimenta gradualmente il buco nero. La massiccia influenza gravitazionale del buco nero muove questa materia, generando temperature estreme e facendola brillare.
Inoltre, la materia che non cade nel buco nero supermassiccio viene diretta ai poli del gigante cosmico. Le particelle in queste regioni vengono accelerate a velocità prossime a quella della luce come getti altamente paralleli. Quando questi getti relativistici esplodono, le esplosioni sono accompagnate da luminose emissioni elettromagnetiche.
Come risultato di questi fenomeni, i quasar supportati da buchi neri supermassicci nei nuclei galattici attivi (AGN) sono spesso così luminosi che la luce che emettono spesso supera la luce combinata di ogni stella nella galassia circostante.
L’enorme quantità di radiazione emanata da questo buco nero supermassiccio gli ha fatto assumere un aspetto minuscolo come un punto nei dati JWST.
“L'analisi dei colori dell'oggetto ha indicato che non si trattava di una tipica galassia con formazione stellare. Ciò supporta l'ipotesi del buco nero supermassiccio”, ha detto nella dichiarazione Rachel Bezanson, dell'Università di Pittsburgh e co-leader del programma UNCOVER. “In combinazione con le sue piccole dimensioni, divenne chiaro che probabilmente si trattava di un buco nero supermassiccio, sebbene fosse comunque diverso dagli altri quasar presenti in quei primi tempi”.
Il primo quasar non sarebbe stato visto nemmeno dal potente occhio infrarosso del JWST senza il piccolo aiuto dell’impatto previsto da Albert Einstein nel 1915.
Lente di Einstein
La teoria della relatività generale di Einstein propone che gli oggetti dotati di massa distorcano il tessuto dello spazio e del tempo, che in realtà si uniscono come un'unica entità chiamata “spazio-tempo”. La teoria continua che la gravità nasce come risultato di questa curvatura. Maggiore è la massa di un oggetto, maggiore è la curvatura “estrema” dello spazio-tempo.
Quindi questa curvatura non solo dice ai pianeti come muoversi attorno alle stelle e alle stelle e come muoversi attorno ai centri delle loro galassie, ma cambia anche i percorsi della luce proveniente da quelle stelle.
Quanto più la luce è vicina a un oggetto dotato di massa, tanto più “curvo” è il suo percorso. Diversi percorsi di luce provenienti da un singolo oggetto sullo sfondo possono quindi essere piegati dal primo piano, o “oggetto lente”, modificando l'aspetto della posizione dell'oggetto sullo sfondo. A volte, l'effetto può far sì che un oggetto di sfondo appaia in più punti nella stessa immagine del cielo. Altre volte, la luce proveniente da un oggetto sullo sfondo viene semplicemente amplificata e quell'oggetto viene ingrandito.
Questo fenomeno è noto come “lente gravitazionale”.
In questo caso, il telescopio spaziale James Webb ha utilizzato un ammasso di galassie chiamato Abell 2744 come oggetto di lente in primo piano per amplificare la luce delle galassie sullo sfondo, che sono troppo distanti per essere viste. Ciò ha rivelato proprio il quasar rosso su cui si erano concentrati, che originariamente era costituito da tre punti rossi.
“Abbiamo utilizzato il modello di lente numerica che abbiamo costruito per l'ammasso di galassie per determinare che i tre punti rossi devono essere immagini multiple della stessa sorgente di fondo, viste quando l'universo aveva solo circa 700 milioni di anni”, ha detto Zittrain.
Un'ulteriore analisi della sorgente di fondo ha rivelato che la sua luce deve provenire da un'area compatta.
“Tutta la luce proveniente da quella galassia dovrebbe adattarsi a una regione piccola quanto un ammasso stellare esistente”, ha affermato Jenny Green, ricercatrice dell'Università di Princeton, membro del team. “L'ingrandimento creato dalla lente gravitazionale ci ha dato limiti di dimensione fantastici.” dichiarazione. “Anche se concentrassimo tutte le potenziali stelle in una regione così piccola, il buco nero finirebbe per costituire almeno l’1% della massa totale del sistema”.
Questa scoperta aggiunge ulteriore mistero al modo in cui i buchi neri supermassicci, che possono essere milioni (o addirittura miliardi) di volte più massicci del Sole, siano cresciuti fino a raggiungere dimensioni così massicce durante l’infanzia dell’universo.
“Si è scoperto che diversi altri buchi neri supermassicci nell'universo primordiale mostrano un comportamento simile, portando ad alcune prospettive interessanti sulla crescita del buco nero e della galassia ospite, e sull'interazione tra loro, che non è ben compresa”, ha detto Green. .
Il telescopio spaziale James Webb ha rilevato nel tempo un gran numero di “piccoli punti rossi”. Ciò potrebbe anche indicare l’alimentazione di enormi quasar alimentati da buchi neri nell’universo primordiale, il che potrebbe significare che il mistero della straordinaria crescita del buco nero potrebbe presto essere risolto.
“In un certo senso, questo è l’equivalente astrofisico del problema dell’uovo e della gallina”, ha concluso Zittrain. “Al momento non sappiamo cosa sia venuto prima: la galassia o il buco nero, quanto fossero massicci i primi buchi neri e come siano cresciuti”.
La ricerca del team è stata pubblicata il 14 febbraio sulla rivista Nature.
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