La scoperta dei buchi neri nell’universo primordiale
Il Telescopio Spaziale James Webb (JWST) ha recentemente catturato immagini di due quasar nell’universo primordiale, gettando luce sulla relazione tra buchi neri e le galassie che li ospitano. Questa scoperta suggerisce che il rapporto di massa osservato nelle galassie più recenti era già presente meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang.
Le osservazioni del JWST
Le nuove immagini del JWST hanno rivelato, per la prima volta, la luce stellare di due galassie massicce che ospitano buchi neri in crescita attiva, noti come quasar, osservati meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. I buchi neri hanno masse vicine a un miliardo di volte quella del Sole, e le masse delle galassie ospitanti sono quasi cento volte maggiori, un rapporto simile a quello che si trova nell’universo più recente. Una potente combinazione del sondaggio a campo largo del Telescopio Subaru e del JWST ha aperto una nuova strada per studiare l’universo lontano, secondo uno studio recente pubblicato su Nature.
Il mistero dell’origine dei buchi neri
Le osservazioni di buchi neri giganti hanno attirato l’attenzione degli astronomi negli ultimi anni. Il Telescopio Event Horizon (EHT) ha iniziato a immaginare la “shadow” dei buchi neri al centro delle galassie. Il Premio Nobel per la Fisica 2020 è stato assegnato alle osservazioni del moto stellare al cuore della Via Lattea. Sebbene l’esistenza di tali buchi neri giganti sia diventata solida, la loro origine rimane un mistero.
Gli astronomi hanno riferito che esistono buchi neri con massa miliardaria di masse solari entro il primo miliardo di anni dell’universo – Come hanno potuto questi buchi neri crescere così tanto quando l’universo era così giovane? Ancora più enigmatico, le osservazioni nell’universo locale mostrano una chiara relazione tra la massa dei buchi neri supermassicci e le galassie molto più grandi in cui risiedono. Le galassie e i buchi neri hanno dimensioni completamente diverse, quindi quale è venuto per primo: i buchi neri o le galassie? Questo è un problema “dell’uovo o della gallina” su scala cosmica.
La ricerca internazionale e i risultati
Il team di ricerca internazionale
Un team internazionale di ricercatori guidato da Masafusa Onoue, un Kavli Astrophysics Fellow presso l’Istituto Kavli per l’Astronomia e l’Astrofisica (KIAA) dell’Università di Pechino, Xuheng Ding, un ricercatore presso l’Istituto Kavli per la Fisica e la Matematica dell’Universo (Kavli IPMU), e John Silverman, professore presso Kavli IPMU, ha iniziato a rispondere a questa domanda con il JWST, un telescopio spaziale di 6,5 metri sviluppato da una collaborazione internazionale tra NASA, l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e l’Agenzia Spaziale Canadese (CSA), lanciato nel dicembre 2021.
La sfida di rilevare le galassie ospitanti
I quasar sono luminosi, mentre le loro galassie ospitanti sono deboli, il che ha reso difficile per i ricercatori rilevare la luce tenue della galassia nel bagliore del quasar, specialmente a grandi distanze. “Trovare le galassie ospitanti dei quasar a redshift 6 è come cercare di individuare lucciole in uno spettacolo di fuochi d’artificio mozzafiato mentre si indossano occhiali appannati. Le galassie ospitanti sono incredibilmente deboli e la risoluzione dell’immagine è stata molto limitata, anche con il Telescopio Spaziale Hubble, rendendo una vera sfida svelare la loro bellezza nascosta”, dice Xuheng Ding.
Il team ha osservato due quasar con il JWST, HSC J2236+0032 e HSC J2255+0251, a redshift 6.40 e 6.34, quando l’Universo aveva circa 860 milioni di anni. Questi due quasar sono stati originariamente scoperti da un sondaggio a campo largo del Telescopio Subaru da 8,2 m, con il quale il team di ricerca ha identificato più di 160 quasar fino ad oggi. Le luminosità relativamente basse di questi quasar li hanno resi obiettivi principali per la misurazione delle proprietà delle galassie ospitanti, e il rilevamento riuscito degli ospiti rappresenta l’epoca più precoce fino ad oggi in cui è stata rilevata la luce stellare in un quasar.
Le immagini dei due quasar sono state scattate a lunghezze d’onda infrarosse di 3,56 e 1,50 micron con lo strumento NIRCam del JWST, e le galassie ospitanti sono diventate evidenti dopo aver accuratamente modellato e sottratto il bagliore dei buchi neri in accrescimento. La firma stellare della galassia ospitante è stata vista anche in uno spettro preso dallo strumento NIRSpec del JWST per J2236+0032, supportando ulteriormente il rilevamento della galassia ospitante. “Sono stato profondamente coinvolto nel sondaggio Subaru di quasar ad alto redshift fin dai miei anni di dottorato presso l’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone. Sono estremamente orgoglioso del rilevamento riuscito della luce stellare dai quasar HSC che abbiamo trovato con Subaru”, afferma Masafusa Onoue.
Dalle osservazioni, il team ha scoperto che il rapporto tra la massa del buco nero e la massa della galassia ospitante è simile a quelli osservati nell’Universo più recente. Il risultato suggerisce che la relazione tra buchi neri e le loro galassie ospitanti era già in atto entro il primo miliardo di anni dopo il Big Bang. Il team continuerà questo studio con un campione più ampio di quasar lontani, mirando a ulteriori vincoli sulla storia di crescita coevolutiva dei buchi neri e delle loro galassie genitrici nel tempo cosmico. Queste osservazioni vincoleranno i modelli per la coevoluzione dei buchi neri e delle loro galassie ospitanti.
