Il Hubble Deep Field e il suo successore, il Hubble Ultra-Deep Field, ci hanno mostrato quanto sia vasto il nostro Universo e come sia popolato da galassie di tutte le forme e dimensioni. Si sono concentrati su piccole porzioni di cielo che apparivano vuote, rivelando la presenza di innumerevoli galassie. Attualmente, gli astronomi stanno utilizzando l’Hubble Ultra-Deep Field e immagini successive per rivelare la presenza di un gran numero di buchi neri supermassivi nell’Universo primordiale.
Questo è un risultato sorprendente perché, secondo le teorie, tali oggetti massicci non avrebbero dovuto essere così abbondanti miliardi di anni fa.
L’Hubble Ultra-Deep Field (HUDF) è stato rilasciato nel 2004 e ha richiesto quasi un milione di secondi di esposizione durante 400 orbite del telescopio. Nel corso degli anni, la stessa regione è stata immortalata con altre lunghezze d’onda ed è stata aggiornata e perfezionata in vari modi.
L’Hubble ha reimmaginato la regione più volte, e gli astronomi hanno confrontato le nuove immagini con quelle più vecchie, identificando più SMBH dei periodi antichi dell’Universo.
I risultati sono contenuti in un articolo intitolato “Glimmers in the Cosmic Dawn: A Census of the Youngest Supermassive Black Holes by Photometric Variability,” pubblicato su The Astrophysical Journal Letters.
I buchi neri supermassivi (SMBH) si trovano al centro di grandi galassie come la nostra. Sebbene il buco stesso non sia visibile, il materiale attirato al suo interno si raccoglie in un disco di accrescimento. Man mano che questo materiale si riscalda, emette luce come un nucleo galattico attivo (AGN). Poiché i buchi neri si nutrono in modo sporadico, solo una parte di essi era visibile nell’originale HUDF. Reimmaginando lo stesso campo in momenti diversi, l’Hubble ha catturato ulteriori SMBH che non erano visibili inizialmente.
La nostra comprensione dell’Universo antico e di come esso e le sue galassie siano evoluti dipende da diversi fattori. Uno di questi è la necessità di avere un’idea accurata del numero di AGN. Gli AGN possono essere difficili da individuare e questo metodo supera alcuni ostacoli.
Gli AGN possono emettere raggi X, onde radio e altre emissioni, ma non sempre si distinguono. “La sfida per questo campo deriva dal fatto che identificare AGN nei regimi di luminosità delle galassie tipiche è obiettivamente difficile,” scrivono gli autori. “Questo porta probabilmente a una sottostima degli SMBH, con potenzialmente un grande numero risiedente inosservato tra la popolazione apparentemente formante stelle delle galassie ad alto z.”
Il metodo di variabilità fotometrica degli autori supera questo problema. Poiché gli AGN acquisiscono materiale a tassi variabili, osservare i cambiamenti nell’emissione degli AGN rappresenta un modo migliore per determinare quanti ce ne siano. “Qui, sosteniamo che la variabilità fotometrica risultante dai cambiamenti nel tasso di accrescimento di massa degli SMBH possa fornire una sonda completamente indipendente e complementare degli AGN,” scrivono Hayes e i suoi coautori. “Il monitoraggio della variabilità seleziona gli AGN dai dati di imaging direttamente attraverso fenomeni correlati agli SMBH, senza alcun pregiudizio di pre-selezione fotometrica (colore, luminosità, compattezza, ecc.).”
Questo grafico dell’articolo di ricerca mostra l’efficacia della variabilità fotometrica nel rilevare gli SMBH. Mostra la variabilità fotometrica di due oggetti trovati nel campo: 1051264 a z = 2 (pannelli superiori) e 1052126 a z = 3.2. Credito immagine: Hayes et al. 2024.
Il nuovo articolo presenta risultati preliminari e riporta la rilevazione di otto obiettivi interessanti che mostrano variabilità. Tre degli otto sono probabilmente supernovae, due sono AGN chiari a circa z = 2–3, e altri tre sono probabilmente AGN a redshift superiori a 6.
Questi risultati sono significativi perché influenzano la nostra comprensione dei buchi neri, di come si formino e del loro posto nella storia dell’Universo.
Gli astronomi comprendono come si formino i buchi neri di massa stellare. Credono anche che i buchi neri supermassivi crescano così tanto attraverso fusioni con altri buchi neri. Stanno persino facendo progressi nella scoperta di buchi neri intermedi, conosciuti come buchi neri a massa intermedia (IMBHs).
Poiché gli astronomi ritengono che gli SMBH crescano attraverso fusioni, dovrebbero essercene di più nell’Universo moderno e relativamente pochi, se non ci fossero, nell’Universo primordiale. Non c’era semplicemente abbastanza tempo per svolgere sufficienti fusioni per creare gli SMBH. È per questo che esistono teorie alternative per spiegare i buchi neri nell’Universo primordiale.
Gli astronomi teorizzano che un diverso tipo di stella esistesse nell’universo primordiale. Queste stelle massicce e priste possono essersi formate solo nelle condizioni che dominavano l’Universo primordiale. Avrebbero potuto collassare e diventare buchi neri massicci.
Un’altra teoria suggerisce che grandi nuvole di gas nell’Universo primordiale potrebbero essere collassate direttamente in buchi neri. Un ulteriore teoria propone che i cosiddetti ‘buchi neri primordiali’ possano essersi formati nei primi istanti dopo il Big Bang attraverso meccanismi puramente speculativi.
L’Hubble Ultra Deep Field con annotazioni mostra la posizione di un buco nero supermassivo. Credito immagine: Hayes et al. 2024.
Le nuove osservazioni dovrebbero contribuire a chiarire alcune di queste idee.
“Il meccanismo di formazione dei buchi neri antichi è una parte importante del puzzle dell’evoluzione delle galassie,” ha dichiarato Hayes, autore principale dello studio. “Insieme ai modelli su come crescono i buchi neri, i calcoli sull’evoluzione delle galassie possono ora essere posti su una base fisicamente più motivata, con uno schema accurato su come i buchi neri siano venuti in esistenza da stelle massicce in collasso.”
“Queste sorgenti forniscono una prima misura di nSMBH nell’epoca di reionizzazione grazie alla variabilità fotometrica,” spiegano gli autori nel loro articolo. Dicono che le sorgenti identificate nel loro lavoro indicano la più grande popolazione di buchi neri mai riportata per questi redshift. “Questa abbondanza di SMBH è anche sorprendentemente simile alle stime di nSMBH nell’Universo locale,” scrivono gli autori.
Alcuni modelli teorici suggeriscono che ci siano stati un gran numero di AGN nell’epoca di reionizzazione. Il JWST ci mostra che sembrano esserci più SMBH e AGN di quanto gli astronomi pensassero. Trovando più SMBH e AGN, questa ricerca sta contribuendo alla nostra comprensione dei buchi neri e dell’evoluzione dell’Universo.
Tuttavia, c’è ancora molto lavoro da fare. I ricercatori ritengono sia necessario un campione più ampio di AGN a redshift elevati per ridurre le incertezze e rafforzare i loro risultati, e il JWST può aiutare. “È necessario il JWST per spingersi verso la rilevazione di AGN più deboli tramite variabilità,” spiegano gli autori, aggiungendo che ci vorrebbero anni di monitoraggio perché il telescopio spaziale possa farlo.
Quest’opera sottolinea anche il contributo continuo dell’HST all’astronomia. Potrebbe non essere potente come il JWST, ma ha il vantaggio di anni di osservazioni già compiuti, continuando a dimostrare il suo valore come osservatorio potente.
“In confronto, l’eredità di imaging NIR profondo dell’HST si estende già per circa 15 anni, fornendo un’eccellente base per il monitoraggio.”