Scoperta record indica getti di particelle per la rapida formazione di buchi neri nell’universo primordiale

I nuclei galattici attivi (AGN) sono centri estremamente luminosi delle galassie. I “motori” che guidano la loro enorme produzione di energia sono buchi neri supermassicci. La materia che cade su tali buchi neri (“accrescimento”) è il meccanismo più efficiente conosciuto dalla fisica quando si tratta di liberare enormi quantità di energia.

Questa efficienza senza pari è il motivo per cui gli AGN sono in grado di produrre più luce di tutte le stelle in centinaia, migliaia o anche più galassie messe insieme e in un volume di spazio più piccolo del nostro sistema solare.

Si ritiene che almeno il dieci per cento di tutti gli AGN emetta fasci di particelle focalizzati ad alta energia, noti come getti.

Questi getti partono dalle immediate vicinanze del buco nero in due direzioni opposte, sostenuti e guidati da campi magnetici nel “disco di accrescimento” del materiale: il disco formato dal gas che vortica intorno al buco nero e cade al suo interno.

Per vedere un AGN come un blazar, deve accadere qualcosa di molto improbabile: la Terra, la nostra base di osservazione, deve essere nella posizione giusta affinché il getto AGN punti direttamente verso di noi.

Il risultato è l’analogo astronomico di qualcuno che punta il raggio di una torcia davvero luminosa direttamente nei tuoi occhi: un oggetto particolarmente luminoso nel cielo.

Tipicamente per un blazar, vediamo anche rapidi cambiamenti di luminosità su scale temporali di giorni, ore o anche meno, una conseguenza di cambiamenti casuali nel vorticoso disco di accrescimento alla base del getto e di instabilità nell’interazione del getto tra campi magnetici e particelle cariche.

Trovare nuclei galattici attivi nell’universo primordiale

La nuova scoperta è il risultato di una ricerca sistematica di nuclei galattici attivi nell’universo primordiale condotta da Eduardo Bañados, un leader del gruppo presso l’Istituto Max Planck per l’Astronomia specializzato nel primo miliardo di anni di storia cosmica, e da un team internazionale di astronomi.

Poiché la luce impiega tempo per raggiungerci, vediamo oggetti distanti come lo erano milioni o addirittura miliardi di anni fa.

Per gli oggetti più distanti, il cosiddetto redshift cosmologico, dovuto all’espansione cosmica, sposta la loro luce a lunghezze d’onda molto più lunghe di quelle a cui la luce è stata emessa.

Bañados e il suo team hanno sfruttato questo fatto, cercando sistematicamente oggetti che erano spostati verso il rosso fino a non apparire nemmeno nella solita luce visibile (della Dark Energy Legacy Survey, in questo caso) ma che erano sorgenti luminose in un’indagine radio (l’indagine VLASS a 3 GHz).

Tra i 20 candidati che soddisfacevano entrambi i criteri, solo uno designato J0410-0139 soddisfaceva il criterio aggiuntivo di mostrare fluttuazioni di luminosità significative nel regime radio, sollevando la possibilità che si trattasse di un blazar.

I ricercatori hanno poi scavato più a fondo, impiegando una batteria insolitamente grande di telescopi, tra cui osservazioni nel vicino infrarosso con il New Technology Telescope (NTT) dell’ESO, uno spettro con il Very Large Telescope (VLT) dell’ESO, spettri aggiuntivi nel vicino infrarosso con l’LBT, uno dei telescopi Keck e il telescopio Magellano, immagini a raggi X dai telescopi spaziali XMM-Newton dell’ESA e Chandra della NASA, osservazioni a onde millimetriche con gli array ALMA e NOEMA, e osservazioni radio più dettagliate con i telescopi VLA del National Radio Astronomy Observatory degli Stati Uniti per confermare lo status dell’oggetto come AGN, e in particolare come blazar.

Le osservazioni hanno anche fornito la distanza dell’AGN (tramite il redshift) e hanno persino trovato tracce della galassia ospite in cui l’AGN è incorporato. La luce proveniente da quel nucleo galattico attivo ha impiegato 12,9 miliardi di anni per raggiungerci (z = 6,9964), trasportando informazioni sull’universo com’era 12,9 miliardi di anni fa.

“Dove ce n’è uno, ce ne sono altri cento”

Secondo Bañados, “Il fatto che J0410-0139 sia un blazar, un getto che per caso punta direttamente verso la Terra, ha implicazioni statistiche immediate. Come analogia nella vita reale, immagina di leggere di qualcuno che ha vinto $ 100 milioni alla lotteria.

Dato quanto sia rara una vincita del genere, si può immediatamente dedurre che devono esserci state molte più persone che hanno partecipato a quella lotteria ma non hanno vinto una cifra così esorbitante.

Allo stesso modo, trovare un AGN con un getto che punta direttamente verso di noi implica che in quel momento, ci devono essere stati molti AGN in quel periodo della storia cosmica con getti che non puntano verso di noi.

Per farla breve, nelle parole di Silvia Belladitta, post-doc al MPIA e co-autrice della presente pubblicazione: “Dove ce n’è uno, ce ne sono altri cento”.

La luce del precedente detentore del record per il blazar più lontano ha impiegato circa 100 milioni di anni in meno per raggiungerci (z=6,1).

I 100 milioni di anni in più potrebbero sembrare brevi alla luce del fatto che stiamo guardando indietro di oltre 12 miliardi di anni, ma fanno una differenza cruciale.

Questo è un momento in cui l’universo sta cambiando rapidamente. In quei 100 milioni di anni, un buco nero supermassiccio può aumentare la sua massa di un ordine di grandezza. Sulla base dei modelli attuali, il numero di AGN dovrebbe essere aumentato di un fattore da cinque a dieci durante quei 100 milioni di anni.

Scoprire che c’era un tale blazar 12,8 miliardi di anni fa non sarebbe inaspettato. Scoprire che c’era un tale blazar 12,9 miliardi di anni fa, come in questo caso, è una questione completamente diversa.

Aiutare i buchi neri a crescere da 12,9 miliardi di anni prima del presente

La presenza di un’intera popolazione di AGN con getti in quel particolare periodo iniziale ha implicazioni significative per la storia cosmica e la crescita di buchi neri supermassicci al centro delle galassie in generale.

I buchi neri i cui AGN hanno getti possono potenzialmente guadagnare massa più velocemente dei buchi neri senza getti. Contrariamente alla credenza popolare, è difficile che il gas cada in un buco nero.

La cosa naturale da fare per il gas è orbitare intorno al buco nero, in modo simile al modo in cui un pianeta orbita attorno al Sole, con una velocità maggiore man mano che il gas si avvicina al buco nero (“conservazione del momento angolare”).

Per cadere, il gas deve rallentare e perdere energia. I campi magnetici associati al getto di particelle, che interagiscono con il disco vorticoso di gas, possono fornire un tale “meccanismo di frenata” e aiutare il gas a cadere.

Ciò significa che le conseguenze della nuova scoperta sono destinate a diventare un elemento costitutivo di qualsiasi modello futuro di crescita dei buchi neri nell’universo primordiale: implicano l’esistenza di un’abbondanza di nuclei galattici attivi 12,9 miliardi di anni fa che avevano getti, e quindi avevano i campi magnetici associati che possono aiutare i buchi neri a crescere a una velocità considerevole.