Guardando in profondità nello spazio e nel tempo, due team che utilizzano il telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA hanno studiato la galassia eccezionalmente luminosa GN-z11, che esisteva quando il nostro Universo di 13,8 miliardi di anni aveva solo circa 430 milioni di anni.
Mantenendo la sua promessa di trasformare la nostra comprensione dell’Universo primordiale, il telescopio spaziale James Webb sta sondando le galassie vicino all’alba dei tempi. Una di queste è la galassia eccezionalmente luminosa GN-z11, che esisteva quando l’Universo era solo una piccola frazione della sua età attuale.
Inizialmente rilevata con il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA, è una delle galassie più giovani e distanti mai osservate, ed è anche una delle più enigmatiche.
Perché è così luminosa? Webb sembra aver trovato la risposta.
Un team che studia GN-z11 con Webb ha trovato la prima chiara prova che la galassia ospita un buco nero supermassiccio centrale che sta rapidamente accrescendo materia.
La loro scoperta rende questo il buco nero supermassiccio attivo più distante individuato fino ad oggi.
“Abbiamo trovato gas estremamente denso che è comune nelle vicinanze di buchi neri supermassicci che accrescono gas”, ha spiegato il ricercatore principale Roberto Maiolino del Cavendish Laboratory e del Kavli Institute of Cosmology presso l’Università di Cambridge nel Regno Unito.
“Queste sono state le prime chiare firme che GN-z11 sta ospitando un buco nero che sta divorando materia”.
Utilizzando Webb, il team ha anche trovato indicazioni di elementi chimici ionizzati tipicamente osservati vicino a buchi neri supermassicci in accrescimento.
Inoltre, hanno scoperto che la galassia sta espellendo un vento molto potente.
Tali venti ad alta velocità sono tipicamente guidati da processi associati all’accrescimento vigoroso di buchi neri supermassicci.
“La NIRCam (Near-Infrared Camera) di Webb ha rivelato una componente estesa, che traccia la galassia ospite, e una sorgente centrale compatta i cui colori sono coerenti con quelli di un disco di accrescimento che circonda un buco nero”, ha detto la ricercatrice Hannah Übler, anche lei del Cavendish Laboratory e del Kavli Institute.
Insieme, queste prove mostrano che GN-z11 ospita un buco nero supermassiccio di due milioni di masse solari in una fase molto attiva di consumo di materia, motivo per cui è così luminoso.
Un secondo team, anch’esso guidato da Maiolino, ha utilizzato il NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) di Webb per trovare un grumo gassoso di elio nell’alone che circonda GN-z11.
“Il fatto che non vediamo nient’altro oltre all’elio suggerisce che questo grumo deve essere abbastanza incontaminato”, ha detto Maiolino.
“Questo è qualcosa che ci si aspettava dalla teoria e dalle simulazioni in prossimità di galassie particolarmente massicce di queste epoche: che ci dovrebbero essere sacche di gas incontaminato sopravvissute nell’alone, e queste potrebbero collassare e formare ammassi stellari di Popolazione III”.
Trovare le stelle di Popolazione III, la prima generazione di stelle formate quasi interamente da idrogeno ed elio, è uno degli obiettivi più importanti dell’astrofisica moderna.
Ci si aspetta che queste stelle siano molto massicce, molto luminose e molto calde.
La loro firma sarebbe la presenza di elio ionizzato e l’assenza di elementi chimici più pesanti dell’elio.
La formazione delle prime stelle e galassie segna un cambiamento fondamentale nella storia cosmica, durante la quale l’Universo si è evoluto da uno stato oscuro e relativamente semplice all’ambiente altamente strutturato e complesso che vediamo oggi.
Nelle future osservazioni di Webb, Maiolino, Übler e il loro team esploreranno GN-z11 in modo più approfondito, e sperano di rafforzare la tesi delle stelle di Popolazione III che potrebbero formarsi nel suo alone.
La ricerca sull’ammasso di gas incontaminato nell’alone di GN-z11 è stata accettata per la pubblicazione su Astronomy & Astrophysics. I risultati dello studio del buco nero di GN-z11 sono stati pubblicati sulla rivista Nature il 17 gennaio 2024.
I dati sono stati ottenuti nell’ambito del JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), un progetto congiunto tra i team NIRCam e NIRSpec.
Immagine: NASA, ESA, CSA, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), M. Rieke (University of Arizona), D. Eisenstein (CfA)
