Nell’universo contemporaneo, le galassie massicce sono abbondanti. Ma l’universo non è sempre stato così. Gli astronomi pensano che le galassie siano cresciute di dimensioni attraverso fusioni, quindi ciò che osserviamo nello spazio è il risultato di miliardi di anni di fusione galattica. Quando le galassie si fondono, la fusione può alimentare grandi quantità di gas nei loro centri, a volte creando un quasar.
Molto di questo è teorico e circondato da mistero, ma gli astronomi potrebbero aver trovato prove di una fusione galattica che crea un quasar.

Tutte le galassie contengono gas interstellare, ma alcune—tipicamente quelle più giovani—hanno una concentrazione di gas molto più elevata. Quando galassie ricche di gas si fondono, scatenano una rapida formazione stellare e alimentano grandi quantità di gas nel buco nero centrale, il quale poi brilla intensamente e appare come un luminoso quasar.
Un quasar è fondamentalmente un buco nero estremamente attivo. Sembra che tutte le grandi galassie ospitino un buco nero supermassiccio nei loro centri, e quando questi buchi neri stanno alimentando attivamente, vengono chiamati nuclei attivi di galassie (AGN). I quasar sono i più luminosi di tutti gli AGN e possono eclissare intere galassie.
Tuttavia, i quasar appartengono principalmente al passato. L’attività dei quasar sembra aver raggiunto il picco circa 10 miliardi di anni fa, il che è una delle ragioni per cui ci sono ancora molte domande su come si formino.
Gli astronomi hanno avvistato due antiche galassie distanti che si stanno fondendo. Entrambe hanno quasar deboli al loro centro. Potrebbero essere i progenitori di quasar luminosi e massicci nell’universo primordiale? Un team di ricercatori internazionale pensa di sì.
I loro risultati sono riportati in una nuova ricerca pubblicata su The Astrophysical Journal intitolata “Galassie ricche di gas che ospitano quasar gemelli a bassa luminosità a z = 6,05: un promettente progenitore dei quasar più luminosi.” Takuma Izumi, del National Astronomical Observatory of Japan, è l’autore principale.
La coppia di quasar distanti e deboli è stata rilevata con il Telescopio Subaru. Credito immagine: NAOJ/Izumi et al. 2024.
“Quando abbiamo osservato per la prima volta l’interazione tra queste due galassie, sembrava di assistere a una danza, con i buchi neri al loro centro che avevano iniziato la loro crescita.”, dice Takuma Izumi, NAOJ.
I quasar diventano estremamente luminosi e sono più facilmente osservabili, ma a quel punto, la fusione che li ha creati si è già compiuta. Gli astronomi devono osservare quelli deboli in uno stato pre-fusione per trovare risposte alle loro domande. Vogliono capire quali processi governano le galassie ricche di gas in fusione e come parte del gas venga utilizzata in un’esplosione di formazione stellare, mentre parte di esso viene canalizzata nel centro, creando un quasar.
“Sebbene le osservazioni multi-lunghezze d’onda dei quasar siano progredite significativamente negli ultimi anni, la comprensione dei loro progenitori è rimasta indietro,” scrivono gli autori nel loro lavoro.

A z = 6.05, questi quasar sono straordinariamente distanti e antichi. La luce che ci raggiunge ora ha lasciato questi oggetti circa 12,7 miliardi di anni fa durante l’Alba Cosmica dell’universo. A causa dell’espansione dell’universo, la luce ha viaggiato per circa 23,5 miliardi di anni luce. Per molti di questi fotoni, il lungo viaggio è terminato quando hanno raggiunto il Telescopio Subaru e il telescopio radio ALMA.
Il Telescopio Subaru è un telescopio ottico/infrarosso situato sulla cima di Maunakea, Hawaii, gestito dal National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). È dotato della Hyper Suprime-Cam, una fotocamera digitale da 900 megapixel con un campo visivo estremamente ampio. Insieme, il telescopio Subaru e la Hyper Suprime-Cam consentono agli astronomi di rilevare oggetti molto deboli durante i sondaggi.
Subaru/Hyper Suprime-Cam ha scoperto la coppia di galassie deboli all’inizio di quest’anno con l’aiuto del Telescopio Gemini North. Yoshiki Matsuoka, dell’Università di Ehime in Giappone, stava esaminando le immagini scattate dal Telescopio Subaru e ha notato una debole macchia rossa. “Durante la selezione delle immagini dei candidati quasar ho notato due fonti simili e estremamente rosse vicine l’una all’altra,” dice Matsuoka, “La scoperta è stata puramente fortuita.”
Il Telescopio Subaru, con la sua Hyper Suprime-Cam, ha rilevato la coppia di galassie. Credito immagine:
La coppia di quasar rilevata da Subaru è così debole che gli astronomi hanno ipotizzato che fosse una coppia pre-fusione. Ma per determinare la natura esatta degli oggetti, l’autore principale Izumi e i suoi colleghi si sono rivolti a un altro potente osservatorio: ALMA, l’Atacama Large Millimetre/submillimetre Array. Per comprendere cosa stanno osservando, i ricercatori avevano bisogno di vedere come il gas nelle galassie si comportava. ALMA è uno degli strumenti più potenti per osservare il gas.
La maggior parte del gas nelle galassie è idrogeno, ma potrebbe essere difficile da rilevare. ALMA osserva quella che viene chiamata la linea di assorbimento CII. Poiché sia l’idrogeno che il CII si trovano comunemente nelle nubi di gas, la linea CII funge da tracciante per l’idrogeno.
Osservando la distribuzione e il movimento dell’idrogeno nelle galassie, gli astronomi hanno concluso che la coppia è in fase di fusione. Due prove supportano la loro conclusione: il ponte di materia che le collega e il movimento del gas.
Questa figura della ricerca mostra le posizioni dei quasar C2 e C1. Mostra anche le caratteristiche del ‘ponte’ e della ‘coda’, entrambi segni che la coppia di galassie si sta fondendo. “Sia il Ponte che la Coda si sono formati con alta probabilità a causa delle interazioni delle galassie ospitanti di C1 e C2,” scrivono gli autori. Credito immagine: Izumi et al. 2024.
Tuttavia, stabilire che la coppia si sta fondendo è stato solo il primo passo. La vera domanda è se la coppia di galassie in fusione produrrà un quasar luminoso. Per determinarlo, i ricercatori dovevano misurare la quantità di gas.
Il pannello a sinistra è una mappa di velocità delle galassie e dei loro quasar, contrassegnati C2 e C1. Il pannello a destra mostra le quattro fasi della fusione, inclusa la fase IV, quella osservata. Credito immagine: Izumi et al. 2024.
Utilizzando ALMA, i ricercatori hanno determinato che le galassie contengono 100 miliardi di masse solari di gas. Si tratta di più gas rispetto ad alcune delle galassie che ospitano i quasar più luminosi. Questa quantità straordinariamente grande di gas non verrà esaurita rapidamente. È sufficiente per scatenare e sostenere sia la formazione stellare esplosiva post-fusione che l’alimentazione del buco nero supermassiccio.
“Secondo i modelli di evoluzione galattica guidata dalla fusione, sia la formazione stellare che gli AGN vengono attivati dall’interazione delle galassie ricche di gas,” scrivono gli autori nella loro ricerca. “Pertanto, ci aspettiamo che questa coppia evolverà in un quasar luminoso con un SFR alto superiore a 1000 masse solari all’anno, comparabile al valore per i quasar otticamente luminosi osservati finora a grandi redshift.”
Gli astronomi hanno concluso che la coppia di galassie sta interagendo e si trova in fase di fusione. Credito immagine: ALMA/Izumi et al. 2024.
“Quando abbiamo osservato per la prima volta l’interazione tra queste due galassie, sembrava di assistere a una danza, con i buchi neri al loro centro che avevano iniziato la loro crescita. È stato davvero bello,” ha dichiarato l’autore principale Izumi.
Questi risultati sono significativi perché forniscono agli astronomi prospettive non solo sulla formazione dei quasar e sulla formazione stellare esplosiva, ma anche sulla struttura e sul moto delle galassie.

“Con il potere combinato del Telescopio Subaru e di ALMA, abbiamo iniziato a svelare la natura dei motori centrali (buchi neri supermassicci), così come il gas nelle galassie ospitanti,” ha detto Izumi.
Trovare una coppia di quasar pre-fusione è un risultato notevole. I quasar hanno suscitato la curiosità degli astronomi sin dal loro primo rilevamento con l’astronomia radio negli anni ’50. Inizialmente, non sapevano cosa fossero, e gli astronomi li chiamavano oggetti quasi stellari (QSO) e sorgenti radio quasi stellari. Il nome è stato abbreviato in quasar, e ha preso piede.
Nel 1960, gli astronomi avevano rilevato centinaia di quasar. Ora sappiamo cosa sono, ma abbiamo domande su come si formano questi oggetti. Questo studio sta rispondendo ad alcune di esse, ma gli astronomi bramano sempre una comprensione più profonda della natura, e secondo Izumi, la coppia è pronta per ulteriori osservazioni che dovrebbero svelare alcune risposte.
Izumi sottolinea che le proprietà delle stelle in entrambe le galassie ospitanti sono sconosciute. “Utilizzando il James Webb Space Telescope, attualmente operativo, potremmo scoprire le proprietà stellari di questi oggetti. Poiché sono gli antenati a lungo ricercati dei quasar ad alta luminosità, che dovrebbero fungere da prezioso laboratorio cosmico, spero di approfondire la nostra comprensione della loro natura e della loro evoluzione attraverso varie osservazioni in futuro,” ha affermato Izumi.