Utilizzando il telescopio spaziale James Webb, gli astronomi hanno scrutato indietro di 13 miliardi di anni per scoprire quasar supermassicci sorprendentemente solitari alimentati da un buco nero.
Il telescopio spaziale James Webb (JWST) le osservazioni sono confuse perché isolate buchi neri dovrebbe lottare per raccogliere abbastanza massa da raggiungere stato supermassicciosoprattutto solo poche centinaia di milioni di anni dopo Grande divietoG. La scoperta confonde ulteriormente le acque quando si tratta del mistero di come alcuni buchi neri siano cresciuti fino a raggiungere masse equivalenti a milioni o addirittura miliardi di soli quando l’universo aveva meno di un miliardo di anni.
I risultati sono arrivati dopo che un team di scienziati ha utilizzato il JWST per studiare gli ambienti di cinque dei primi esemplari conosciuti quasarformatosi quando il cosmo aveva tra 600 e 700 milioni di anni. Il team ha scoperto che i dintorni di questi quasar, conosciuti come “campi di quasar”, erano sorprendentemente vari. Alcuni erano gli ambienti densamente popolati previsti dagli scienziati, ma altri erano “dispense vuote” scarsamente popolate che avrebbero avuto difficoltà ad alimentare la crescita di buchi neri supermassicci.
“Contrariamente alla credenza precedente, troviamo, in media, questi quasar non necessariamente nelle regioni a più alta densità dell’universo primordiale. Alcuni di loro sembrano essere seduti in mezzo al nulla,” ha affermato Anna-Christina Eilers, assistente professoressa di fisica presso il Massachusetts Institute of Technology, ha affermato in una nota. “È difficile spiegare come questi quasar possano essere diventati così grandi se sembrano non avere nulla da cui nutrirsi.”
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I quasar hanno bisogno di dispense piene
Si ritiene che i buchi neri supermassicci si annidino nel cuore di tutte le grandi galassie dell’universo relativamente moderno. Poiché nessuna stella è abbastanza grande da collassare e i buchi neri hanno masse così mostruose, gli scienziati sanno che i buchi neri supermassicci devono formarsi in modi diversi rispetto ai cosiddetti “buchi neri di massa stellare” con masse comprese tra 10 e 100 volte quella del Sole, nati dalle morti di stelle massicce.
I buchi neri supermassicci potrebbero crescere attraverso fusioni progressive di buchi neri sempre più grandi, suggeriscono i modelli; tuttavia, il problema è che questo processo Dovrebbe impiegare più di 1 miliardo di anni. Tuttavia, il JWST sta osservando buchi neri supermassicci che si sono formati in molto meno tempo.
È possibile vedere questi buchi neri supermassicci perché si trovano in ambienti turbolenti ricchi di gas chiamati nuclei galattici attivi (AGN) da cui si nutrono. Ciò facilita anche la loro crescita. L’immensa massa dei buchi neri in questi ambienti fa sì che le nubi appiattite di gas e polvere attorno a loro brillino intensamente, spesso superando la luce combinata di ogni stella della galassia che li ospita. Questa luce, trilioni di volte più luminosa del sole, indica un quasar.
Tuttavia, i buchi neri supermassicci necessitano di un “servizio di consegna” per mantenere l’ambiente circostante ben rifornito di gas e polvere per raggiungere questa incredibile luminosità.
“È semplicemente fenomenale che ora disponiamo di un telescopio in grado di catturare la luce di 13 miliardi di anni fa in modo così dettagliato”, ha affermato Eilers. “Per la prima volta, JWST ci ha permesso di osservare l’ambiente di questi quasar, dove sono cresciuti e come era il loro quartiere.”
Per studiare i dintorni più ampi dei quasar, il team ha selezionato cinque regioni alimentate da buchi neri supermassicci studiate dal JWST tra agosto 2022 e giugno 2023. Ciò ha richiesto di “cucire insieme” più immagini per creare un mosaico di campi di quasar per ciascun quartiere di buco nero supermassiccio.
Elaborando le molteplici lunghezze d’onda della luce nelle immagini, è stato anche possibile determinare se la luce proveniva dalla galassia vicina a un quasar e misurare quanto distante quella galassia avesse origine nel luminoso quasar centrale.
“Abbiamo scoperto che l’unica differenza tra questi cinque quasar è che i loro ambienti sembrano molto diversi”, ha detto Eilers. “Ad esempio, un quasar ha quasi 50 galassie attorno a sé, mentre un altro ne ha solo due. Ed entrambi i quasar si trovano nella stessa dimensione, volume, luminosità e tempo dell’universo.
“È stato davvero sorprendente da vedere.”
I primi buchi neri supermassicci hanno avuto “scatti di crescita”?
Le scoperte del team mettono in discussione l’idea della crescita del buco nero supermassiccio e persino della formazione delle galassie nel suo complesso. La comprensione attuale è che questa evoluzione è stata guidata da un vasto “rete cosmica” della materia oscura; la materia oscura costituisce circa l’85% di tutta la materia ma rimane per noi effettivamente invisibile.
Filamenti di materia oscura nella rete cosmica guidavano gas e polvere nell’universo primordiale, attirando la materia primordiale lungo i suoi vasti viticci. Dove i fili di questa rete cosmica si incontravano, si accumulavano regioni di materia eccessivamente dense. Qui furono costruite le prime galassie e dovrebbero essere trovati i primi quasar.
“La rete cosmica della materia oscura è una solida previsione del nostro modello cosmologico dell’universo e può essere descritta in dettaglio utilizzando simulazioni numeriche”, ha affermato nella dichiarazione il leader del team Elia Pizzati, uno studente laureato dell’Università di Leiden. “Confrontando le nostre osservazioni con queste simulazioni, possiamo determinare dove si trovano i quasar nella rete cosmica.”
I buchi neri supermassicci situati in questi nodi della rete cosmica dovrebbero crescere attraverso il costante e rapido accumulo di gas e polvere forniti dalla rete cosmica come un Grub Hub galattico – ciò consentirebbe ai quasar di raggiungere masse mostruose e luminosità estrema – ma gli scienziati Devo ancora sapere come ciò sia avvenuto così presto nella storia dell’universo.
“La domanda principale a cui stiamo cercando di rispondere è: come si formano questi buchi neri da miliardi di masse solari in un momento in cui l’universo è ancora molto, molto giovane? È ancora nella sua infanzia”, ha detto Eilers.
Sfortunatamente, questa ricerca sembra aver sollevato più domande che risposte a quelle che già preoccupavano gli scienziati. I quartieri sterili sembrano indicare una mancanza di materia oscura e sovradensità dei nodi della rete cosmica. Se così fosse, le attuali teorie sui meccanismi di crescita non potrebbero spiegare questi quasar.
Una potenziale soluzione a questo mistero è che questi primi quasar siano effettivamente circondati da polvere cosmica e quindi non visibili. Il team ora intende “sintonizzare” le proprie osservazioni di questi campi di quasar potenzialmente vuoti per scoprire eventuali galassie avvolte.
“I nostri risultati mostrano che manca ancora un pezzo significativo del puzzle su come crescono questi buchi neri supermassicci”, ha concluso Eilers. “Se non c’è abbastanza materiale in giro perché alcuni quasar possano crescere continuamente, significa che deve esserci qualche altro modo in cui possono crescere che dobbiamo ancora capire.”
La ricerca del team è stata pubblicata il 17 ottobre in Il diario astrofisico
