Quando il telescopio spaziale James Webb è stato lanciato il giorno di Natale nel 2021, si è trovata di fronte a una serie di affascinanti domande. Al momento del lancio, gli astronomi avevano una lunga lista di obiettivi che imploravano il tipo di osservazioni dettagliate che solo il potente telescopio spaziale infrarosso poteva eseguire. Uno di questi obiettivi era un’antica galassia massiccia che è praticamente morta e non forma nuove stelle. I risultati sono arrivati, e un team internazionale di astronomi sa cosa è successo a questa galassia quiescente.

La crescita e l’evoluzione delle galassie è un campo di studio fondamentale nell’astronomia. Come siamo passati dal Big Bang a oggi, quando galassie massicce come la nostra Via Lattea popolano l’Universo? Gli astronomi hanno scoperto che i buchi neri supermassicci (SMBH) risiedono al centro delle galassie massicce e hanno plasmato le loro galassie in modi potenti. I SMBH creano potenti nuclei galattici attivi (AGN) nei nuclei delle galassie. Quando un SMBH attira materiale verso di sé, il materiale si accumula in un disco di accrezione. Il materiale si riscalda a temperature estremamente elevate e rilascia energia su tutto lo spettro elettromagnetico, creando un AGN che può brillare più della restante galassia. Gli AGN sono oggetti potenti. Secondo la teoria, hanno il potere di interrompere il rifornimento di gas freddo che forma stelle e di rallentare drasticamente il tasso di formazione stellare (SFR) nella loro galassia ospite. Sospingono venti di gas che forma stelle al di fuori delle loro galassie, il che rallenta lo SFR. Gli astronomi chiamano questo quenching, e viene frequentemente osservato in galassie massicce chiamate galassie quiescenti.

Ora, il JWST ha osservato un’antica galassia massiccia chiamata GS-10578 a redshift z?=?3.064. È soprannominata ‘Galassia di Pablo’ e per una fase così precoce nell’evoluzione dell’Universo, è massiccia: contiene circa due miliardi di masse solari. Ma la Galassia di Pablo è quiescente, il che significa che la maggior parte della sua formazione stellare è avvenuta tra 12,5 e 11,5 miliardi di anni fa. Molte galassie massicce locali sono quiescenti, il che ha aiutato a promuovere lo sviluppo della teoria del quenching AGN.

Un team di scienziati ha presentato la propria ricerca sulla Galassia di Pablo in un nuovo articolo intitolato “Una galassia post-stellar in rapida rotazione bloccata dal feedback dei buchi neri supermassicci a z?=?3.” L’articolo è pubblicato in Nature Astronomy e il co-autore principale è Francesco D’Eugenio del Kavli Institute for Cosmology e del Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge nel Regno Unito. “Abbiamo trovato il colpevole. Il buco nero sta uccidendo questa galassia e mantenendola dormiente, tagliando la fonte di ‘cibo’ di cui la galassia ha bisogno per formare nuove stelle”, ha detto Francesco D’Eugenio, Kavli Institute for Cosmology, Università di Cambridge, Regno Unito.

“Basandoci su osservazioni precedenti, sapevamo che questa galassia era in uno stato quiescente: non forma molte stelle date le sue dimensioni, e ci aspettiamo che ci sia un legame tra il buco nero e la fine della formazione stellare”, ha affermato il co-autore principale Dr Francesco D’Eugenio del Kavli Institute for Cosmology di Cambridge. “Tuttavia, fino a Webb, non eravamo stati in grado di studiare questa galassia con abbastanza dettagli per confermare quel legame, e non sapevamo se questo stato quiescente fosse temporaneo o permanente.”

“Nell’universo primordiale, la maggior parte delle galassie sta formando molte stelle, quindi è interessante vedere una galassia massiccia morta in questo periodo di tempo,” ha detto il co-autore Professor Roberto Maiolino, anche lui del Kavli Institute for Cosmology. “Se ha avuto abbastanza tempo per raggiungere questa massa considerevole, qualsiasi processo che ha fermato la formazione stellare è probabilmente avvenuto relativamente rapidamente.” La Galassia di Pablo è talvolta chiamata un ‘nugget blu’, una classe di galassie che si pensa esista solo nell’universo primordiale. I nugget blu sono massicci ed estremamente compatti, e gli astronomi pensano che siano i precursori delle moderne galassie quiescenti chiamate ‘nugget rossi.’ I nugget blu stanno vivendo una ‘compattazione ricca di gas.’ Ciò significa che c’è un’improvvisa esplosione di formazione stellare guidata dall’instabilità del disco o da fusioni importanti ricche di gas. Questa esplosione è seguita dal quenching, che lascia una galassia di nugget rossi.

Illustrazione artistica di una galassia “nugget rossa”. Crediti: Raggi X: NASA/CXC/MTA-Eötvös University/N. Werner et al., Illustrazione: NASA/CXC/M. Weiss

“Come dimostreremo, GS-10578 è, invece, già un nugget rosso in una fase avanzata di quenching,” scrivono gli autori. Spiegano che si sta fondendo con diverse galassie satellite a bassa massa e “sta subendo un feedback espulsivo potente dal suo SMBH.”

I ricercatori affermano di avere prove dirette che il feedback AGN può inibire la formazione stellare nelle galassie primordiali. Osservazioni precedenti con altri telescopi mostrano che le galassie hanno venti di gas in rapida espulsione. Quel gas è caldo, il che rende più facile vederlo, ma non ha fornito prove che i SMBH e gli AGN possano inibire la formazione stellare. Questo perché il gas è caldo, mentre le stelle si formano da gas freddi e densi. La Galassia di Pablo non è diversa. Sta espellendo grandi quantità di gas caldo a velocità sufficienti per sfuggire completamente alla galassia. L’SMBH e il suo AGN stanno spingendo il gas all’esterno.

Ma il JWST ha fatto la differenza in queste nuove osservazioni. Ha osservato un nuovo componente del vento espulsivo composto da gas freddo. Il gas freddo non emette luce, ma il JWST è estremamente sensibile e può rilevarlo in base a come blocca la luce delle galassie distanti sullo sfondo. Criticamente, senza gas freddo, una galassia fatica a formare stelle e diventa quiescente.

Questa figura illustra alcuni dei risultati della ricerca. Mostra la Galassia di Pablo al centro, con cinque galassie satellite a bassa massa che si fondono. L’inserto (b) mostra un dettaglio dall’immagine principale. Il contorno ciano è spostato a nord-ovest e rappresenta l’espulsione di gas freddo che sta inibendo la formazione stellare nella galassia. Crediti immagine: D’Eugenio e Maiolino et al. 2024.

La quantità di gas espulso dai venti spinti dall’AGN è maggiore rispetto a quella necessaria per formare nuove stelle. “Abbiamo trovato il colpevole,” ha detto D’Eugenio. “Il buco nero sta uccidendo questa galassia e mantenendola dormiente, tagliando la fonte di ‘cibo’ di cui la galassia ha bisogno per formare nuove stelle.”

Questi sono risultati entusiasmanti, ma gli autori avvertono che si tratta solo di una galassia. “GS-10578 rappresenta un’opportunità unica per studiare come le galassie più massicce dell’Universo siano diventate—e siano rimaste—quiescenti,” spiegano gli autori nella loro ricerca. “Anche se non possiamo trarre conclusioni generali da un singolo obiettivo, dimostriamo che il feedback AGN è in grado di alimentare sbocchi di gas neutro con alta velocità e alta ‘carica di massa’, sufficiente a interrompere la formazione stellare rimuovendo il carburante di gas freddo.”

Ci sono ancora domande in sospeso. Altre galassie simili alla Galassia di Pablo mostrano anche che i venti di sbocco di gas freddo potrebbero essere fondamentali per il quenching delle galassie. “Non è ancora chiaro come esattamente questi sbocchi siano accoppiati con l’AGN,” scrivono gli autori. Spiegano che solo un censimento di galassie simili può dirci se queste forti espulsioni di gas che forma stelle siano un meccanismo chiave per causare il quenching o se l’espulsione di gas sia semplicemente episodica.

Il JWST ha anche risposto a un’altra domanda in sospeso riguardo alle galassie quiescenti. I nostri modelli teorici mostravano che quando la formazione stellare di una galassia veniva inibita, ciò era un evento turbolento che distruggeva violentemente la forma della galassia. La Galassia di Pablo mostra ancora la forma a disco maestosa di una galassia non turbata. Le sue stelle si muovono in modo uniforme e prevedibile.

Questa figura dello studio mostra la rotazione ordinata della Galassia di Pablo. La differenza di velocità osservata è dovuta al fatto che un lato si allontana da noi ed è red-shifted dalla nostra prospettiva, mentre l’altro si muove verso di noi ed è blue-shifted. Crediti immagine: D’Eugenio e Maiolino et al. 2024.

Il JWST sta funzionando esattamente come previsto. Portando l’antico Universo in vista, sta rispondendo a molte domande di lunga data in astronomia, astrofisica e cosmologia. “Sapevamo che i buchi neri hanno un impatto enorme sulle galassie, e forse è comune che fermino la formazione stellare, ma fino a Webb non eravamo stati in grado di confermare direttamente questo,” ha detto Maiolino. “È un ulteriore modo in cui Webb rappresenta un enorme passo avanti nella nostra capacità di studiare l’universo primordiale e come si sia evoluto.”