Immagine catturata da Webb di uno dei quasar coinvolti nella ricerca. I due riquadri mostrano uno zoom sulla sorgente prima e dopo la sottrazione della luce del quasar. L’emissione residua è l’emissione stellare (riquadro in basso). Crediti: Yue et al. 2024; NASA.
Nell’ultimo quarto di secolo si è scoperto che le proprietà delle galassie e dei buchi neri non sono distribuite in modo casuale ma sono legate da precisi rapporti di scala. Non stiamo parlando di buchi neri stellari, relitti delle tumultuose e rapide esistenze di stelle di massa elevata, ma di buchi neri supermassicciooggetti con una massa di ordini di grandezza maggiore e la cui origine è ancora avvolta nel mistero, e che risiedono nelle regioni nucleari delle galassie.
Nonostante il nome, i buchi neri supermassicci sono ancora molto piccoli rispetto alle galassie che abitano. Nell’universo attuale è stato possibile stimare con una certa precisione che la massa dei buchi neri è circa mille volte più piccola di quella delle galassie ospitanti. Approssimativamente la differenza tra il pianeta Giove e il Sole. Questa relazione di scala è stata osservata in numerose galassie vicine alla nostra. È come se la galassia “sapesse” del buco nero centrale e viceversa.
È sempre stato così? Nell’universo, regno della mutevolezza per eccellenza, non è necessariamente vero che ciò che comunemente accade oggi sia sempre accaduto. Per rispondere a questa domanda è quindi necessario scrutare il cosmo nei suoi recessi più nascosti per scovare galassie e buchi neri durante l’infanzia dell’universo.
Questo è più o meno quello che hanno cercato di fare alcuni ricercatori guidati da Minghao Yue, postdoc presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge, Stati Uniti. Utilizzando il telescopio spaziale James Webb, Yue e i suoi collaboratori ne hanno osservati sei quasar, ovvero oggetti dalla luminosità prodigiosa dovuta all’accrescimento di materia su un buco nero supermassiccio, la cui luce è stata emessa oltre tredici miliardi di anni fa. In breve, durante l’infanzia dell’universo. Obiettivo dell’osservazione: misurare la massa del buco nero centrale e della galassia ospite. Più facile a dirsi che a farsi. I quasar sono oggetti così luminosi che letteralmente soffocano la luce delle stelle che brillano nella galassia. L’astronomo che voglia misurarsi con l’osservazione di una galassia custode di un quasar si troverà infatti in una situazione non dissimile da chi vuole individuare lo scintillio di una manciata di fiammiferi all’interno di un fuoco.
Senza perdersi d’animo, gli autori dello studio, diffusi lunedì il Il diario astrofisico, hanno sviluppato un modello per riprodurre l’emissione delle sorgenti osservate, in modo tale da sottrarre la luce emessa dal quasar e isolare l’emissione rimanente. Questo debole segnale residuo è proprio la luce delle stelle che popolano la galassia ospite, che può quindi essere convertita in massa mediante opportune relazioni. La tecnica, utilizzata anche in altri studi, comporta notevoli difficoltà, tanto che l’ardua misurazione è riuscita con successo solo per tre dei sei quasar osservati nel programma.
Una volta stimata la massa della galassia, l’ingrediente mancante è la massa del buco nero. La misurazione di questa quantità è relativamente meno problematica e può essere effettuata attraverso le linee di emissione del gas che ruota all’impazzata in prossimità del buco nero. Con le due masse a disposizione, gli astronomi hanno potuto confrontare la massa dei buchi neri con quella delle galassie, cercando di replicare quanto avviene nell’universo attuale. E sembra che ci siano delle sorprese.
Se, come dicevamo, nelle galassie vicine la massa del buco nero è un millesimo di quella della galassia ospite, nel primo miliardo di anni dell’universo il rapporto tra queste due quantità è di uno a dieci. Non più come Giove e il Sole, piuttosto come Marte e la Terra. Ciò ha implicazioni in astrofisica. In effetti, sembra che i buchi neri siano cresciuti più rapidamente in passato di quanto non facciano oggi. “Deve esserci stato qualche meccanismo che ha permesso ai buchi di aumentare la loro massa prima delle galassie ospitanti nel primo miliardo di anni”, afferma il primo autore dell’articolo.
Fondamentale è stato l’utilizzo del telescopio Webb, che ha puntato per oltre cento ore i quasar coinvolti nello studio. “La risoluzione delle immagini precedenti non era sufficiente per distinguere le galassie ospiti”, spiega Yue. La ricerca fa parte del programma Eigerche mira a studiare le proprietà dei quasar e l’ambiente in cui risiedono un miliardo di anni dopo il Big Bang.
Questo studio può dirci qualcosa su come si formano i buchi neri supermassicci? Come si diceva all’inizio, le origini di questi oggetti sono infatti misteriose. I modelli attuali prevedono masse che possono variare tra cento e centomila volte la massa del Sole per quelli che potrebbero essere stati i nuclei originari dei buchi neri. A tale proposito Anna-Christina Eilers, secondo autore dell’articolo, afferma «Questi buchi neri sono miliardi di volte più massicci del Sole, in un’epoca in cui l’universo era ancora nella sua infanzia. I nostri risultati implicano che nell’universo lontano, i buchi neri supermassicci sembrano crescere più rapidamente delle galassie che li ospitano, e che i “semi” iniziali da cui sono nati i buchi neri potrebbero essere stati più massicci allora di oggi. ‘Oggi”.
Non occorre aspettare che uno studio simile venga esteso a campioni più grandi di quasar distanti per comprendere meglio come evolvono le relazioni tra galassie e buchi neri e svelare l’enigma sull’origine di questi ultimi.
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