Nuove osservazioni fanno luce sui quasar dell’universo primordiale

Una nuova scoperta con l’ampia Dark Energy Camera offre una chiara spiegazione all’enigma della “densità urbana” dei quasar.

 

 

Le osservazioni effettuate con la Dark Energy Camera (DECam) confermano l’aspettativa degli astronomi che i quasar dell’Universo primordiale si siano formati in regioni dello spazio densamente popolate da galassie compagne.

Il campo visivo eccezionalmente ampio di DECam e i filtri speciali hanno giocato un ruolo cruciale nel raggiungere questa conclusione, e le osservazioni rivelano perché gli studi precedenti che cercavano di caratterizzare la densità dei quartieri dei quasar dell’Universo primordiale hanno prodotto risultati contrastanti.

I quasar sono gli oggetti più luminosi dell’Universo e sono alimentati da materiale che si accresce sui buchi neri supermassicci al centro delle galassie.

Gli studi hanno dimostrato che i quasar dell’Universo primordiale hanno buchi neri così massicci che devono aver ingoiato gas a velocità molto elevate, portando la maggior parte degli astronomi a credere che questi quasar si siano formati in alcuni degli ambienti più densi dell’Universo, dove il gas era più disponibile.

Tuttavia, le misurazioni osservazionali che cercano di confermare questa conclusione hanno finora prodotto risultati contrastanti.

Ora, un nuovo studio che utilizza la Dark Energy Camera (DECam) indica la strada sia per una spiegazione per queste osservazioni disparate sia per un quadro logico per collegare l’osservazione con la teoria.

DECam è stato fabbricato dal Dipartimento dell’Energia ed è montato sul telescopio da 4 metri Víctor M. Blanco della National Science Foundation degli Stati Uniti presso l’Osservatorio Interamericano di Cerro Tololo in Cile, un programma di NSF NOIRLab.

Lo studio è stato condotto da Trystan Lambert, che ha completato questo lavoro come studente di dottorato presso l’Istituto di Studi Astrofisici dell’Università Diego Portales in Cile ed è ora un postdoc presso il nodo dell’Università dell’Australia Occidentale presso l’International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR).

Utilizzando l’enorme campo visivo di DECam, il team ha condotto la più grande ricerca di aree nel cielo mai realizzata intorno a un quasar dell’Universo primordiale nel tentativo di misurare la densità del suo ambiente contando il numero di galassie compagne circostanti.

Per la loro indagine, il team aveva bisogno di un quasar con una distanza ben definita.

Fortunatamente, il quasar VIK 2348-3054 ha una distanza nota, determinata da precedenti osservazioni con l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), e il campo visivo di tre gradi quadrati di DECam ha fornito uno sguardo ampio al suo vicinato cosmico.

Per fortuna, DECam è anche dotato di un filtro a banda stretta perfettamente abbinato per rilevare le sue galassie compagne. 

“Questo studio sui quasar è stata davvero la tempesta perfetta”, dice Lambert.

 “Avevamo un quasar con una distanza ben nota, e DECam sul telescopio Blanco offriva l’enorme campo visivo e il filtro esatto di cui avevamo bisogno”.

Il filtro specializzato di DECam ha permesso all’equipe di contare il numero di galassie compagne attorno al quasar rilevando un tipo molto specifico di luce che emettono, nota come radiazione Lyman-alfa.

La radiazione alfa di Lyman è una specifica firma energetica dell’idrogeno, prodotta quando viene ionizzata e poi ricombinata durante il processo di formazione stellare.

Gli emettitori Lyman-alfa sono in genere galassie più giovani e più piccole e la loro emissione Lyman-alfa può essere utilizzata come un modo per misurare in modo affidabile le loro distanze.

Le misurazioni della distanza per più emettitori Lyman-alfa possono quindi essere utilizzate per costruire una mappa 3D delle vicinanze di un quasar.

Dopo aver mappato sistematicamente la regione dello spazio attorno al quasar VIK J2348-3054, Lambert e il suo team hanno trovato 38 galassie compagne nell’ambiente più ampio intorno al quasar – fino a una distanza di 60 milioni di anni luce – il che è coerente con ciò che ci si aspetta per i quasar che risiedono in regioni dense.

Tuttavia, sono stati sorpresi di scoprire che entro 15 milioni di anni luce dal quasar, non c’erano affatto compagni.

Questa scoperta illumina la realtà degli studi passati volti a classificare gli ambienti dei quasar dell’Universo primordiale e propone una possibile spiegazione del perché hanno prodotto risultati contrastanti.

Nessun’altra indagine di questo tipo ha utilizzato un’area di ricerca così grande come quella fornita da DECam, quindi per ricerche su aree più piccole l’ambiente di un quasar può apparire ingannevolmente vuoto.

“La visione estremamente ampia di DECam è necessaria per studiare a fondo i quartieri dei quasar. Bisogna davvero aprirsi a un’area più ampia”, afferma Lambert.

“Questo suggerisce una spiegazione ragionevole del perché le osservazioni precedenti sono in conflitto tra loro”.

L’equipe suggerisce anche una spiegazione per la mancanza di galassie compagne nelle immediate vicinanze del quasar.

Essi postulano che l’intensità della radiazione proveniente dal quasar potrebbe essere abbastanza grande da influenzare, o potenzialmente fermare, la formazione di stelle in queste galassie, rendendole invisibili alle nostre osservazioni.

“Alcuni quasar non sono vicini tranquilli”, dice Lambert.

 “Le stelle nelle galassie si formano da gas che è abbastanza freddo da collassare sotto la sua stessa gravità. I quasar luminosi possono potenzialmente essere così luminosi da illuminare questo gas nelle galassie vicine e riscaldarlo, prevenendo questo collasso”.

Il team di Lambert sta attualmente seguendo ulteriori osservazioni per ottenere spettri e confermare la soppressione della formazione stellare.

Hanno anche in programma di osservare altri quasar per costruire un campione di dimensioni più robuste.

“Questi risultati mostrano il valore della partnership produttiva della National Science Foundation con il Dipartimento dell’Energia”, afferma Chris Davis, direttore del programma NSF per NSF NOIRLab.

“Ci aspettiamo che la produttività sarà enormemente amplificata con l’imminente NSF-DOE Vera C. Rubin Observatory, una struttura di nuova generazione che rivelerà ancora di più sull’Universo primordiale e su questi oggetti straordinari”.

 

 

Immagine: NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick/J. da Silva (Spaceengine)/M. Zaman