“Senza essere stato sviluppato per questo scopo specifico, il JWST ci ha aiutato a determinare che i piccoli punti rossi deboli, trovati molto lontano nel passato remoto dell’universo, sono piccole versioni di buchi neri estremamente massicci. Questi oggetti speciali potrebbero cambiare il modo in cui pensiamo alla genesi dei buchi neri”, afferma Jorryt Matthee, professore assistente presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dell’Austria (ISTA) e autore principale dello studio.
“I risultati attuali potrebbero avvicinarci di un passo alla risposta a uno dei più grandi dilemmi dell’astronomia: secondo i modelli attuali, alcuni buchi neri supermassicci nell’universo primordiale sono semplicemente cresciuti ‘troppo velocemente’. Quindi, come si sono formati?”
Gli scienziati hanno a lungo considerato i buchi neri una curiosità matematica fino a quando la loro esistenza è diventata sempre più evidente. Questi strani pozzi cosmici senza fondo potrebbero avere masse così compatte e gravità così forti che nulla può sfuggire alla loro forza di attrazione: risucchiano qualsiasi cosa, compresa la polvere cosmica, i pianeti e le stelle, e deformano lo spazio e il tempo intorno a loro in modo tale che anche la luce non può sfuggire.
La teoria generale della relatività, pubblicata da Albert Einstein oltre un secolo fa, prevedeva che i buchi neri potessero avere qualsiasi massa. Alcuni dei buchi neri più intriganti sono i buchi neri supermassicci (SMBH), che potrebbero raggiungere milioni o miliardi di volte la massa del Sole. Gli astrofisici concordano sul fatto che al centro di quasi ogni grande galassia ci sia un SMBH. La prova che Sagittario A* è un SMBH al centro della nostra Galassia con oltre quattro milioni di volte la massa del Sole, ha guadagnato il Premio Nobel per la Fisica nel 2020.
Tuttavia, non tutti gli SMBH sono uguali. Mentre Sagittario A* potrebbe essere paragonato a un vulcano addormentato, alcuni SMBH crescono estremamente rapidamente inghiottendo quantità astronomiche di materia. Così, diventano così luminosi che possono essere osservati fino al bordo dell’universo in continua espansione. Questi SMBH sono chiamati quasar e sono tra gli oggetti più luminosi dell’universo.
“Un problema con i quasar è che alcuni di essi sembrano essere eccessivamente massicci, troppo massicci data l’età dell’universo in cui i quasar sono osservati. Li chiamiamo i ‘quasar problematici’”, dice Matthee. “Se consideriamo che i quasar derivano dalle esplosioni di stelle massicce e che conosciamo il loro tasso di crescita massimo dalle leggi generali della fisica, alcuni di essi sembrano essere cresciuti più velocemente di quanto sia possibile. È come guardare un bambino di cinque anni che è alto due metri. Qualcosa non torna”, spiega.
Potrebbero forse crescere gli SMBH ancora più velocemente di quanto pensassimo in origine? O si formano in modo diverso?
Ora, Matthee e i suoi colleghi identificano una popolazione di oggetti che appaiono come piccoli punti rossi nelle immagini JWST. Inoltre, dimostrano che questi oggetti sono SMBH, ma non eccessivamente massicci. Centrale nel determinare che questi oggetti sono SMBH è stata la rilevazione di linee spettrali di emissione Hα con profili di linea ampi. Le linee Hα sono linee spettrali nella regione del rosso profondo della luce visibile che vengono emesse quando gli atomi di idrogeno vengono riscaldati. La larghezza degli spettri traccia il moto del gas.
“Più ampia è la base delle linee Hα, maggiore è la velocità del gas. Quindi, questi spettri ci dicono che stiamo guardando una nuvola di gas molto piccola che si muove estremamente rapidamente e orbita attorno a qualcosa di molto massiccio come un SMBH”, dice Matthee.
Tuttavia, i piccoli punti rossi non sono i mostri cosmici giganti trovati negli SMBH eccessivamente massicci. “Mentre i ‘quasar problematici’ sono blu, estremamente luminosi e raggiungono miliardi di volte la massa del Sole, i piccoli punti rossi sono più come ‘quasar baby’. Le loro masse si trovano tra dieci e cento milioni di masse solari. Inoltre, appaiono rossi perché sono polverosi. La polvere oscura i buchi neri e arrossa i colori”, dice Matthee.
Ma alla fine, il flusso di gas dai buchi neri perforerà il bozzolo di polvere e i giganti si evolveranno da questi piccoli punti rossi. Quindi, l’astrofisico dell’ISTA e il suo team suggeriscono che i piccoli punti rossi sono piccole versioni rosse di giganteschi SMBH blu nella fase che precede i quasar problematici. “Studiare le versioni baby degli SMBH eccessivamente massicci in modo più dettagliato ci permetterà di capire meglio come esistono i quasar problematici”.
Matthee e il suo team hanno potuto trovare i quasar baby grazie ai set di dati acquisiti dalle collaborazioni EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) e FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations). Questi sono un grande e un medio programma JWST in cui Matthee è stato coinvolto. Lo scorso dicembre, la rivista Physics World ha elencato EIGER tra le prime 10 scoperte dell’anno per il 2023.
“EIGER è stato progettato per studiare specificamente i rari quasar supermassicci blu e i loro ambienti. Non è stato progettato per trovare i piccoli punti rossi. Ma li abbiamo trovati per caso nello stesso set di dati. Questo perché, utilizzando la Near Infrared Camera del JWST, EIGER acquisisce spettri di emissione di tutti gli oggetti nell’universo”, dice Matthee. “Se alzi l’indice e estendi completamente il braccio, la regione del cielo notturno che abbiamo esplorato corrisponde a circa un ventesimo della superficie della tua unghia. Finora, probabilmente abbiamo solo grattato la superficie”.
Matthee è fiducioso che il presente studio aprirà molte strade e aiuterà a rispondere ad alcune delle grandi domande sull’universo. “I buchi neri e gli SMBH sono probabilmente le cose più interessanti nell’universo. È difficile spiegare perché sono lì, ma ci sono. Speriamo che questo lavoro ci aiuti a sollevare uno dei più grandi veli di mistero sull’universo”, conclude.
Poco prima della pubblicazione di questo articolo, l’Istituto di Scienza del Telescopio Spaziale (STScI) ha annunciato i programmi selezionati per il terzo anno di operazioni scientifiche del JWST. Tra i programmi che hanno superato la selezione competitiva c’era la proposta di Matthee “Dissecting Little Red Dots: the connection between early SMBH growth and cosmic reionization”, che totalizzerà 45 ore su JWST.
Riferimento: “Little Red Dots: An Abundant Population of Faint Active Galactic Nuclei at z ∼ 5 Revealed by the EIGER and FRESCO JWST Surveys” di Jorryt Matthee, Rohan P. Naidu, Gabriel Brammer, John Chisholm, Anna-Christina Eilers, Andy Goulding, Jenny Greene, Daichi Kashino, Ivo Labbe, Simon J. Lilly, Ruari Mackenzie, Pascal A. Oesch, Andrea Weibel, Stijn Wuyts, Mengyuan Xiao, Rongmon Bordoloi, Rychard Bouwens, Pieter van Dokkum, Garth Illingworth, Ivan Kramarenko, Michael V. Maseda, Charlotte Mason, Romain A. Meyer, Erica J. Nelson, Naveen A. Reddy, Irene Shivaei, Robert A. Simcoe e Minghao Yue, 7 marzo 2024, The Astrophysical Journal. DOI: 10.3847/1538-4357/ad2345