Utilizzando il Telescopio Spaziale James Webb, gli astronomi hanno esaminato il passato per 13 miliardi di anni, scoprendo sorprendentemente dei quasar alimentati da buchi neri supermassicci solitari. Le osservazioni del Telescopio Spaziale James Webb (JWST) sono confuse perché i buchi neri isolati dovrebbero avere difficoltà a raccogliere sufficiente massa per raggiungere uno stato supermassiccio, specialmente solo poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. La scoperta complica ulteriormente il problema di come alcuni buchi neri siano cresciuti fino a masse equivalenti a milioni o addirittura miliardi di soli quando l’universo aveva meno di un miliardo di anni. I risultati sono emersi dopo che un team di scienziati ha utilizzato il JWST per studiare gli ambienti di cinque dei quasar più antichi conosciuti, formatisi quando il cosmo aveva tra i 600 e i 700 milioni di anni. Il team ha scoperto che i dintorni di questi quasar, noti come “campi di quasar”, erano sorprendentemente vari. Alcuni presentavano ambienti densamente popolati, come previsto dagli scienziati, ma altri erano “dispense vuote” scarsamente popolate, incapaci di sostenere la crescita di buchi neri supermassicci. “Contrariamente a quanto si pensava in precedenza, riscontriamo che, in media, questi quasar non si trovano necessariamente nelle regioni di massima densità dell’universo primordiale. Alcuni di essi sembrano trovarsi nel bel mezzo del nulla,” ha dichiarato Anna-Christina Eilers, professoressa assistente di fisica al Massachusetts Institute of Technology. “È difficile spiegare come questi quasar possano essere cresciuti così grandi se sembrano non avere nulla da cui nutrirsi.”
Quasar hanno bisogno di dispense piene
Si crede che i buchi neri supermassicci abitino al centro di tutte le grandi galassie nell’universo relativamente moderno. Poiché nessuna stella è sufficientemente grande da collassare e dare origine a buchi neri di tale massa monstre, gli scienziati sanno che i buchi neri supermassicci devono formarsi in modi diversi rispetto ai cosiddetti “buchi neri di massa stellare”, con masse tra 10 e 100 volte quella del sole, nati dalla morte 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 richiedere oltre 1 miliardo di anni. Eppure, il JWST sta osservando buchi neri supermassicci formati in un tempo molto inferiore.
È possibile osservare questi buchi neri supermassicci perché si trovano in ambienti immediati ricchi di gas turbolenti chiamati nuclei galattici attivi (AGN), da cui si alimentano. Questo facilita anche la loro crescita. L’enorme massa dei buchi neri in questi ambienti fa sì che le nuvole schiacciate di gas e polvere che li circondano brillino intensamente, spesso superando la luce combinata di ogni stella nella galassia che li ospita. Questa luce, trilioni di volte più luminosa del sole, indica la presenza di un quasar. Tuttavia, i buchi neri supermassicci hanno bisogno di un “servizio di consegna” per mantenere i loro immediati dintorni ben forniti di gas e polvere per raggiungere questa incredibile luminosità. “È fenomenale che ora abbiamo un telescopio in grado di catturare la luce di 13 miliardi di anni fa con un tale dettaglio,” ha affermato Eilers. “Per la prima volta, il JWST ci ha permesso di esaminare l’ambiente di questi quasar, dove sono cresciuti e com’era il loro quartiere.”
Un’illustrazione mostra quasar alimentati da buchi neri supermassicci (Credito immagine: NASA/JPL–Caltech)
Per indagare 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. Questo ha richiesto di “cucire” insieme più immagini per creare un mosaico del campo di quasar per ogni quartiere di buco nero supermassiccio. Elaborando le lunghezze d’onda di luce nelle immagini, è stato anche possibile determinare se la luce provenisse dalla galassia vicina a un quasar e misurare quanto era lontana quella galassia nell’intenso quasar centrale. “Abbiamo trovato che l’unica differenza tra questi cinque quasar è che i loro ambienti sembrano così diversi,” ha dichiarato Eilers. “Ad esempio, un quasar ha quasi 50 galassie attorno, mentre un altro ne ha solo due. E entrambi i quasar sono all’interno della stessa dimensione, volume, luminosità e tempo dell’universo. È stato davvero sorprendente vedere.”
Quasar supermassicci avevano ‘crescita repentina’?
I risultati del team sfidano l’idea della crescita dei buchi neri supermassicci e persino della formazione delle galassie nel suo complesso. La comprensione attuale è che questa evoluzione sia stata guidata da una vasta “rete cosmica” di materia oscura; la materia oscura rappresenta circa l’85% di tutta la materia ma rimane sostanzialmente invisibile per noi. I filamenti di materia oscura nella rete cosmica hanno guidato gas e polvere nell’universo primordiale, attirando materia primordiale lungo i suoi vasti tentacoli. Dove i filamenti di questa rete cosmica si incrociavano, si accumulavano regioni di materia eccessivamente dense. Qui, sono state costruite le prime galassie e i primi quasar dovrebbero essere trovati. “La rete cosmica di materia oscura è una previsione solida del nostro modello cosmologico dell’universo e può essere descritta in dettaglio utilizzando simulazioni numeriche,” ha dichiarato Elia Pizzati, leader del team e dottorando all’Università di Leiden. “Confrontando le nostre osservazioni con queste simulazioni, possiamo determinare dove si trovano i quasar nella rete cosmica.”
Un’illustrazione di una galassia con un cuore di quasar che cresce dove i filamenti della “rete cosmica” si incontrano (Credito immagine: Robert Lea, creato con Canva)
I buchi neri supermassicci situati in questi nodi nella rete cosmica dovrebbero crescere attraverso un’accrescimento costante e rapido di gas e polvere forniti dalla rete cosmica, come un “Grub Hub” galattico — il che permetterebbe ai quasar di raggiungere masse mostruose e luminosità estrema — ma gli scienziati devono ancora capire come ciò sia accaduto così presto nella storia dell’universo. “La domanda principale a cui stiamo cercando di rispondere è: come si formano questi buchi neri da un miliardo di masse solari in un periodo in cui l’universo è ancora molto giovane? È ancora nella sua infanzia,” ha detto Eilers. Sfortunatamente, questa ricerca sembra aver sollevato più domande di quante ne risponda a quelle già inquietanti per gli scienziati. I quartieri desolati sembrano indicare una mancanza di materia oscura e di sovrapposizioni nei nodi della rete cosmica. Se fosse così, 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 non siano, quindi, visibili. Il team ha ora intenzione di “sintonizzare” le proprie osservazioni di questi campi di quasar potenzialmente vuoti per scoprire eventuali galassie avvolte. “I nostri risultati mostrano che c’è ancora un pezzo significativo del puzzle mancante su come crescono questi buchi neri supermassicci,” ha concluso Eilers. “Se non c’è abbastanza materiale attorno a alcuni quasar per poter crescere continuamente, significa che deve esserci un altro modo in cui possono crescere che dobbiamo ancora capire.” La ricerca del team è stata pubblicata il 17 ottobre nell’Astrophysical Journal.