Gli astronomi hanno a lungo cercato di comprendere l’universo primordiale e, grazie al Telescopio Spaziale James Webb (JWST), è emerso un pezzo critico del puzzle. Gli “occhi” rilevatori di infrarossi del telescopio hanno individuato una serie di piccoli punti rossi, identificati come alcune delle prime galassie formate nell’universo.
Questa sorprendente scoperta non è solo una meraviglia visiva, ma è un indizio che potrebbe svelare i segreti di come le galassie e i loro enigmatici buchi neri hanno iniziato il loro viaggio cosmico. “La straordinaria scoperta di James Webb è che non solo l’universo ha questi oggetti molto compatti e luminosi nell’infrarosso, ma sono probabilmente regioni in cui esistono già enormi buchi neri”, spiega Mitch Begelman, professore di astrofisica presso l’Università del Colorado Boulder. “Si pensava che fosse impossibile.”
Begelman e un team di altri astronomi, tra cui Joe Silk, professore di astronomia alla Johns Hopkins University, hanno pubblicato i loro risultati su The Astrophysical Journal Letters, suggerendo che sono necessarie nuove teorie sulla creazione galattica per spiegare l’esistenza di questi enormi buchi neri.
“È necessario qualcosa di nuovo per conciliare la teoria della formazione delle galassie con i nuovi dati”, approfondisce Silk, autore principale dello studio potenzialmente rivoluzionario.
La storia tradizionale della formazione delle galassie prevedeva un’evoluzione piuttosto ordinata. Le teorie convenzionali sostenevano che le galassie si formassero gradualmente, assemblandosi nel corso di miliardi di anni. In questa lenta evoluzione cosmica, si pensava che le stelle emergessero per prime, illuminando le tenebre primordiali.
“L’idea era che si passasse da questa prima generazione di stelle alle galassie che diventavano principalmente dominate dalle stelle”, aggiunge Begelman. “Poi, verso la fine di questo processo, si iniziava a costruire questi buchi neri.”
I buchi neri supermassicci, entità enigmatiche e potenti, si riteneva apparissero dopo le prime stelle, crescendo silenziosamente nel nucleo galattico. Erano visti come regolatori, occasionalmente scatenandosi per temperare la formazione di nuove stelle, mantenendo così un equilibrio galattico.
Grazie alle osservazioni dei “piccoli punti rossi” da parte del JWST, i ricercatori hanno scoperto che le prime galassie nell’universo erano più luminose del previsto, poiché molte mostravano stelle che coesistevano con buchi neri centrali noti come quasar.
“I quasar sono gli oggetti più luminosi dell’universo”, spiega Silk. “Sono il prodotto dell’accrezione di gas su buchi neri massicci nei nuclei galattici che generano immense luminosità, eclissando le loro galassie ospiti. Sono come mostri nel nido del cuculo.”
Vedendo la coesistenza di stelle con buchi neri, i ricercatori si sono rapidamente resi conto che le teorie convenzionali sulla formazione delle galassie dovevano essere errate. “Questi nuovi dati sembrano indicare che il processo è invertito, che questi buchi neri si sono formati insieme alle prime stelle, e poi il resto della galassia ha seguito”, afferma Begelman. “Sosteniamo che la crescita del buco nero, all’inizio, promuove le stelle. E solo più tardi, quando le condizioni cambiano, si passa in una modalità di spegnimento delle stelle.”
Da questo nuovo processo proposto, i ricercatori hanno scoperto che la relazione tra la formazione delle stelle e la formazione dei buchi neri sembrava più stretta del previsto, poiché ciascuno inizialmente amplificava la crescita dell’altro attraverso un processo noto come feedback positivo.
“La formazione delle stelle accelera la formazione dei buchi neri massicci, e viceversa, in un intreccio inestricabilmente connesso di violenza, nascita e morte che è il nuovo faro della formazione delle galassie”, afferma Silk.
Poi, dopo quasi un miliardo di anni, i giganti nutrici diventavano soppressivi, esaurendo le riserve di gas nelle loro galassie e spegnendo la formazione delle stelle. Questo “feedback negativo” era dovuto a flussi di energia conservativa, potenti venti che spingevano il gas fuori dalle galassie, privandole del materiale necessario per creare nuove stelle.
Armati della rivelazione del comportamento nutriente dei buchi neri, i ricercatori hanno proposto una nuova cronologia per il passaggio dal feedback positivo al feedback negativo nella formazione delle galassie primordiali. Esaminando i diversi spettri di luce e le firme chimiche emesse da questi “piccoli punti rossi”, i ricercatori hanno suggerito che questo passaggio è avvenuto circa 13 miliardi di anni fa, un miliardo di anni dopo il Big Bang, un periodo che gli astronomi classificano come “z ≈6”.
Identificare questa epoca di transizione aiuta gli astronomi a individuare periodi specifici nella storia dell’universo per l’osservazione. Può guidare future strategie osservative utilizzando telescopi come il JWST e altri per studiare l’universo primordiale in modo più efficace. Inoltre, comprendendo quando si è verificato questo passaggio, gli astronomi possono contestualizzare meglio le caratteristiche delle galassie moderne, inclusi dimensioni, forma, composizione stellare e livello di attività.
Per convalidare questa nuova teoria della formazione galattica collaborativa tra stelle e buchi neri, e fornire ulteriori informazioni sui processi coinvolti, sono necessarie simulazioni al computer.
“Questo richiederà del tempo”, dice Begelman. “Le attuali simulazioni al computer sono piuttosto primitive e hai bisogno di un’alta risoluzione per capire tutto. Richiede molta potenza di calcolo ed è costoso.”
Fino ad allora, ci sono altri passi che la comunità astronomica può intraprendere per rivedere e convalidare questa nuova teoria.
“I prossimi passi verranno da osservazioni migliorate”, aggiunge Silk. “La piena potenza del JWST per studiare gli spettri delle galassie più lontane sarà scatenata nei prossimi anni.”
Sia Begelman che Silk sono ottimisti sul fatto che il resto del loro campo adotterà la loro idea proposta.
“Per quanto ne so, siamo i primi ad andare in questa direzione così estrema”, aggiunge Begelman. “Negli anni ho spinto i limiti con i miei collaboratori lavorando su questo problema della formazione dei buchi neri. Ma il JWST ci mostra che non abbiamo pensato abbastanza fuori dagli schemi.”
Per maggiori informazioni su questa ricerca, si veda “La corsa primordiale tra buchi neri e galassie”.
Riferimento: “Which Came First: Supermassive Black Holes or Galaxies? Insights from JWST” di Joseph Silk, Mitchell C. Begelman, Colin Norman, Adi Nusser e Rosemary F. G. Wyse, 30 gennaio 2024, *The Astrophysical Journal Letters*.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad1bf0