Come hanno fatto i buchi neri primordiali a diventare così massicci, così velocemente?

Utilizzando il telescopio spaziale JWST, gli astronomi hanno esaminato uno dei buchi neri più distanti conosciuti nell’universo. Le loro osservazioni forniscono un assaggio della crescita dei buchi neri nell’universo primordiale, meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. Sorprendentemente, il buco nero primordiale in questione sembra “nutrirsi” più o meno allo stesso modo dei suoi parenti più recenti. Gli astronomi stanno faticando da un po’ di tempo per spiegare come i primi buchi neri abbiano raggiunto le loro masse considerevoli. I nuovi risultati escludono quasi del tutto meccanismi di alimentazione insolitamente efficienti nei primi tempi come possibile soluzione. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Astronomy.

 

 

 

Il primo miliardo di anni di storia cosmica pone una sfida: i primi buchi neri conosciuti al centro delle galassie hanno masse sorprendentemente grandi. Come hanno fatto a diventare così massicci, così rapidamente?

Le nuove osservazioni qui descritte forniscono una forte evidenza contro alcune spiegazioni proposte, in particolare contro una “modalità di alimentazione ultra-efficace” per i buchi neri più antichi.

I limiti della crescita dei buchi neri supermassicci

Le stelle e le galassie sono cambiate enormemente negli ultimi 13,8 miliardi di anni, la vita dell’Universo.

Le galassie sono diventate più grandi e hanno acquisito più massa, consumando il gas circostante o (occasionalmente) fondendosi l’una con l’altra.

Per molto tempo, gli astronomi hanno ipotizzato che i buchi neri supermassicci al centro delle galassie sarebbero cresciuti gradualmente insieme alle galassie stesse.

Ma la crescita dei buchi neri non può essere arbitrariamente veloce. La materia che cade su un buco nero forma un vorticoso, caldo e luminoso “disco di accrescimento”.

Quando questo accade intorno a un buco nero supermassiccio, il risultato è un nucleo galattico attivo.

Gli oggetti più luminosi di questo tipo, noti come quasar, sono tra gli oggetti astronomici più luminosi dell’intero cosmo.

Ma questa luminosità limita la quantità di materia che può cadere sul buco nero: la luce esercita una pressione, che può impedire a altra materia di cadere.

Come hanno fatto i buchi neri a diventare così massicci, così velocemente?

Ecco perché gli astronomi sono rimasti sorpresi quando, negli ultimi vent’anni, le osservazioni di quasar lontani hanno rivelato buchi neri molto giovani che avevano comunque raggiunto masse fino a 10 miliardi di masse solari.

La luce impiega tempo per viaggiare da un oggetto lontano a noi, quindi guardare oggetti lontani significa guardare nel lontano passato.

Vediamo i quasar più lontani conosciuti come erano in un’era conosciuta come “alba cosmica”, meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang, quando si formarono le prime stelle e galassie.

Spiegare questi buchi neri massicci è una sfida considerevole per gli attuali modelli di evoluzione delle galassie. Potrebbe essere che i primi buchi neri fossero molto più efficienti nell’accrescere il gas rispetto alle loro controparti moderne?

O la presenza di polvere potrebbe influenzare le stime della massa dei quasar in un modo che ha fatto sovrastimare le masse dei buchi neri primordiali? Ci sono numerose spiegazioni proposte in questo momento, ma nessuna che sia ampiamente accettata.

Uno sguardo più da vicino alla crescita dei primi buchi neri

Decidere quali spiegazioni siano corrette richiede un quadro più completo dei quasar rispetto a quello disponibile in precedenza.

Con l’avvento del telescopio spaziale JWST, in particolare dello strumento nel medio infrarosso MIRI, la capacità degli astronomi di studiare quasar distanti ha fatto un salto gigantesco. Per la misurazione di spettri quasar distanti, MIRI è 4000 volte più sensibile di qualsiasi strumento precedente.

Strumenti come MIRI sono costruiti da consorzi internazionali, con scienziati, ingegneri e tecnici che lavorano a stretto contatto. Naturalmente, un consorzio è molto interessato a verificare se il proprio strumento funziona come previsto.

In cambio della costruzione dello strumento, ai consorzi viene in genere concesso un certo periodo di tempo di osservazione.

Nel 2019, anni prima del lancio di JWST, il consorzio europeo MIRI ha deciso di utilizzare parte di questo tempo per osservare quello che allora era il quasar più distante conosciuto, un oggetto che va sotto la designazione J1120+0641.

Osservare uno dei primi buchi neri

L’analisi delle osservazioni è stata affidata alla dottoressa Sarah Bosman, ricercatrice post-dottorato presso il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) e membro del consorzio europeo MIRI.

I contributi di MPIA allo strumento MIRI includono la costruzione di una serie di parti interne chiave. A Bosman è stato chiesto di unirsi alla collaborazione MIRI specificamente per portare esperienza su come utilizzare al meglio lo strumento per studiare l’Universo primordiale, in particolare i primi buchi neri supermassicci.

Le osservazioni sono state effettuate nel gennaio 2023, durante il primo ciclo di osservazioni del JWST, e sono durate circa due ore e mezza.

Costituiscono il primo studio nel medio infrarosso di un quasar nel periodo dell’alba cosmica, appena 770 milioni di anni dopo il Big Bang (redshift z=7).

L’informazione non deriva da un’immagine, ma da uno spettro: la scomposizione arcobaleno della luce dell’oggetto in componenti a diverse lunghezze d’onda.

Tracciamento di polveri e gas in rapido movimento

La forma complessiva dello spettro del medio infrarosso (“continuum”) codifica le proprietà di un grande toroide di polvere che circonda il disco di accrescimento nei quasar tipici.

Questo toroide aiuta a guidare la materia sul disco di accrescimento, “alimentando” il buco nero.

La cattiva notizia per coloro la cui soluzione preferita ai buchi neri massicci primi risiede in modalità alternative di crescita rapida: il toroide, e per estensione il meccanismo di alimentazione di questo quasar molto primordiale, sembrano essere gli stessi delle sue controparti più moderne.

L’unica differenza è quella che nessun modello di rapida crescita dei quasar primordiali aveva previsto: una temperatura della polvere un po’ più alta, circa un centinaio di Kelvin, più calda dei 1300 K trovati per la polvere più calda nei quasar meno distanti.

La parte dello spettro a lunghezza d’onda più corta, dominata dalle emissioni del disco di accrescimento stesso, mostra che per noi osservatori distanti, la luce del quasar non è offuscata da una quantità di polvere superiore al solito.

Anche le argomentazioni secondo cui forse stiamo semplicemente sovrastimando le masse dei buchi neri primordiali a causa della polvere aggiuntiva non sono la soluzione.

I primi quasar sono “incredibilmente normali”

Anche la regione a linee larghe del quasar, dove grumi di gas orbitano attorno al buco nero a velocità prossime alla velocità della luce – che consentono deduzioni sulla massa del buco nero, sulla densità e sulla ionizzazione della materia circostante – sembra normale.

Per quasi tutte le proprietà che possono essere dedotte dallo spettro, J1120+0641 non è diverso dai quasar in epoche successive.

“Nel complesso, le nuove osservazioni non fanno che aumentare il mistero: i primi quasar erano incredibilmente normali. Indipendentemente dalle lunghezze d’onda in cui li osserviamo, i quasar sono quasi identici in tutte le epoche dell’Universo”, afferma Bosman.

Non solo i buchi neri supermassicci stessi, ma anche i loro meccanismi di alimentazione erano apparentemente già completamente “maturi” quando l’Universo aveva solo il 5% della sua età attuale.

Escludendo un certo numero di soluzioni alternative, i risultati supportano fortemente l’idea che i buchi neri supermassicci abbiano iniziato con masse considerevoli fin dall’inizio, nel gergo astronomico: che siano “primordiali” o “seminati grandi”.

I buchi neri supermassicci non si sono formati dai resti delle stelle primordiali, poi sono diventati massicci molto velocemente.

Devono essersi formati presto con masse iniziali di almeno 100.000 masse solari, presumibilmente attraverso il collasso di massicce nubi di gas primordiali.

 

Inmagine: © T. Müller / MPIA