Un buco nero supermassiccio è stato trovato appena mezzo miliardo di anni dopo il Big Bang – Ars Technica

Mentre esaminavano alcune delle galassie più antiche dell’universo, i ricercatori hanno scoperto una galassia che sembra contenere un buco nero centrale che si alimenta attivamente. In base alla quantità di radiazioni che emette, i ricercatori stimano che rappresenti circa la metà della massa dell’intera galassia, una massa sorprendentemente elevata rispetto a quella delle galassie moderne.

Il fatto che un oggetto così grande possa esistere solo mezzo miliardo di anni dopo il Big Bang impone rigidi vincoli su come si è formato, suggerendo fortemente che i buchi neri supermassicci si siano formati senza passare attraverso una fase intermedia che coinvolgesse una stella.

Vecchie radiografie

Le prime galassie che conosciamo nell’universo sono state identificate utilizzando il telescopio spaziale James Webb, che ha sfruttato un ammasso di galassie in primo piano che ha ingrandito galassie distanti attraverso la lente gravitazionale. Utilizzando l’obiettivo fornito da una matrice specifica, Webb ha identificato 11 galassie che sono state riprese perché esistevano meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang.

Un team internazionale di astronomi ha deciso di esaminare queste galassie per confermare l’esistenza di buchi neri supermassicci situati al centro delle galassie moderne. Quando queste galassie si nutrono, emettono abbondanti quantità di raggi X, quindi i ricercatori si sono rivolti ai Chandra Per raccogliere dati sufficienti, Chandra ha trascorso fino a due settimane a fotografare un luogo.

È stata riscontrata una chiara corrispondenza con una galassia chiamata UHZ1, che è stata ingrandita quasi quattro volte dalla lente gravitazionale. I raggi X provenienti da questa posizione risaltavano sullo sfondo di quattro deviazioni standard. (Potrebbero esserci informazioni sui raggi X associati alle altre 10 galassie, ma i ricercatori dicono che le pubblicheranno separatamente.) UHZ1 ha uno spostamento verso il rosso di z = 10, il che significa che lo stiamo osservando come esisteva circa 500 milioni anni dopo il Big Bang.

La quantità di energia proveniente da questa sorgente di raggi X corrisponde ai nuclei galattici attivi, che sono oggetti che traggono la loro energia da un buco nero supermassiccio situato al centro della galassia. Sulla base delle lunghezze d’onda rilevate, i ricercatori ritengono che l’oggetto sia contenuto in un guscio di polvere e gas all’interno della galassia ospite.

Quanto velocemente mangia un buco nero?

Per comprendere questi risultati, è necessario comprendere il limite di Eddington, che determina la velocità con cui un buco nero fonde materiale proveniente dall’ambiente circostante. Prende il nome da Arthur Eddington, che ne eseguì i primi calcoli, il limite era determinato dal fatto che la materia deve perdere energia per cadere nel buco nero, altrimenti rimarrebbe semplicemente in orbita attorno ad esso. Questa energia andrà persa sotto forma di radiazione, che verrà assorbita dalla materia vicina e allontanata dal buco nero.

Di conseguenza, anche se c’è abbondanza di materiale disponibile di cui un buco nero può nutrirsi, la sua dieta finisce per essere limitata: si nutre troppo e le radiazioni soffocano le sue riserve di cibo. Quindi, data la massa del buco nero, il limite di Eddington può essere calcolato come la quantità massima di materia che può contenere in un dato tempo.

Esistono modi per superare il limite di Eddington se il materiale viene diretto verso il buco nero. Ma questi richiedono composizioni molto specifiche di gas che alimentano il materiale direttamente sotto il pozzo di gravità, quindi si ritiene che la superalimentazione di Eddington sia un’aberrazione temporanea.

Il primo modo in cui entra in gioco il limite di Eddington è che aiuta i ricercatori a stimare la dimensione del buco nero. Data la quantità di energia che emette e presupponendo che si nutra al limite di Eddington, puoi mettere un limite inferiore alla massa del buco nero (se si alimentasse al di sotto del limite di Eddington, sarebbe più pesante). Sulla base di questo calcolo, il buco nero in UHZ1 deve essere almeno 10⁷ volte la massa del sole.

Sulla base delle stime della massa delle stelle in UHZ1, ciò suggerisce che il buco nero centrale rappresenta la metà della massa della galassia. O per dirla in altro modo, il buco nero è massiccio quasi quanto tutto il resto della galassia messo insieme.

Nell’universo attuale, i buchi neri supermassicci centrali rappresentano solo circa lo 0,1% della massa delle loro galassie. Ciò suggerisce quindi che abbiamo catturato UHZ1 in una fase molto precoce del suo sviluppo, il che non sorprende, data la sua età.

Come costruire un buco nero supermassiccio

Questo lavoro ha anche importanti implicazioni per la formazione dei buchi neri supermassicci. C’erano due idee su come potesse svilupparsi qualcosa di queste dimensioni. Un’idea è che le prime stelle fossero molto grandi e formassero buchi neri insolitamente grandi. Queste sarebbero cresciute rapidamente attraverso fusioni, nutrendosi dell’ambiente denso di gas presente nelle prime galassie.

L’opinione opposta è che questa crescita sarebbe avvenuta troppo lentamente. Invece, le persone sostengono che i buchi neri supermassicci sono sempre stati molto grandi e si sono formati molto presto nella storia dell’universo attraverso il collasso diretto di nubi di gas estremamente dense.

I ricercatori hanno eseguito i calcoli partendo dal presupposto che il buco nero si sia formato circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang. Hanno scoperto che un buco nero formato dal collasso diretto di una nube di gas avrebbe bisogno di alimentarsi al limite di Eddington durante tutta la sua storia per raggiungere la massa di quello trovato in UHZ1. Al contrario, un buco nero creato da una supernova di una delle prime stelle dovrebbe alimentarsi al doppio del limite di Eddington nel corso della sua intera storia.

Questa analisi non tiene conto delle fusioni, ma i ricercatori sottolineano che un buco nero più piccolo avrebbe un’attrazione gravitazionale relativamente piccola, quindi non sarebbe in grado di catturare così tanti buchi neri da fondere. Sebbene la superalimentazione di Eddington sia possibile, è improbabile che duri per le centinaia di milioni di anni necessari per costruire un buco nero di queste dimensioni.

È importante trattare questo risultato con una certa cautela, poiché si tratta del primo buco nero supermassiccio che abbiamo potuto sottoporre a questo tipo di analisi. Ma poiché Webb verrà utilizzato per conoscere meglio queste prime galassie, saremo probabilmente in grado di sviluppare una serie completa di primi buchi neri da analizzare. Ciò potrebbe in definitiva darci un quadro più chiaro della sua formazione e sviluppo.

Astronomia fisica, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-02111-9 (Informazioni sugli ID digitali).