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Il telescopio spaziale Euclid dell’ESA ha aperto un nuovo capitolo nello studio delle galassie primitive. Nuove ricerche di Silvia Belladitta (Max Planck Institute for Astronomy, MPIA) e colleghi hanno seguito una delle scoperte di Euclid per scoprire proprietà chiave della galassia ospite di uno dei primi buchi neri supermassicci noti nell’universo.
I nuclei galattici attivi noti come quasar sono responsabili di alcuni degli oggetti celesti più luminosi che vediamo nel cielo.
Il “motore” dietro quella enorme luminosità è la materia che cade su un buco nero supermassiccio centrale – un buco nero con masse di milioni, miliardi o un numero ancora maggiore di masse solari.
Tali buchi neri supermassicci si trovano in tutte le galassie tranne che nelle più piccole.
L’energia del ‘motore centrale’ influenza la formazione stellare in una galassia (in particolare nelle galassie più massicce): riscaldando o comprimendo il gas che è la materia prima per le nuove stelle, limitando la formazione stellare nel primo caso e potenziandola nel secondo.
Come sono emerse le prime galassie e i loro buchi neri centrali è un ambito di ricerca altamente attivo.
Trovare i quasar più antichi ed esaminarne le proprietà e quelle delle galassie ospiti è un elemento importante del puzzle.
Ma colpire i primi quasar è una sfida. Gli oggetti che vediamo come erano nell’universo primordiale sono necessariamente molto lontani.
Quando la luce che raggiunge oggi i nostri telescopi ci mostra un quasar com’era 13,4 miliardi di anni fa, ciò perché la luce ha impiegato 13,4 miliardi di anni per viaggiare dalla sua origine ai nostri telescopi.
Ricerca di quasar “ordinari”
A distanze così grandi, anche oggetti intrinsecamente luminosi come i quasar appaiono piuttosto fiochi. I più facili da osservare sono gli esemplari particolarmente luminosi – ma quelli, essendo eccezionalmente luminosi, difficilmente rappresentano i loro fratelli più normali.
Per quanto riguarda la popolazione di quasar, finora avevamo visto solo la punta dell’iceberg. Questo sta cambiando: la combinazione di sensibilità e capacità di Euclid di scansionare vaste aree del cielo contemporaneamente lo rende una macchina ideale per la ricerca di quasar nell’universo primordiale.
Osservazioni successive con telescopi terrestri confermano la notevole capacità di Euclide di trovare i quasar..
Eduardo Bañados, leader di gruppo presso MPIA e co-leader del Euclid Quasar Work Package dal 2022 al 2025, afferma: “Vedere Euclid realizzare il suo potenziale è immensamente gratificante. Ma più di questo, segna un cambiamento reale: per la prima volta, possiamo studiare il tipico quasar dell’universo primordiale, non solo le eccezioni eccezionali. Ora abbiamo una vera finestra su come la maggior parte dei primi buchi neri è cresciuta — e su come hanno plasmato le galassie intorno a loro.”
Dopo solo 1,5 anni di raccolta dati, Euclide ha più che raddoppiato il numero di quasar primi conosciuti, visto che erano meno di 800 milioni di anni dopo il Big Bang. Infatti, nel giro di pochi mesi, Euclide ha battuto il record di redshift dei quasar non una, ma due volte!
Sondare una galassia ospite estremamente lontana
Un quasar primitivo, sorprendentemente ordinario, è quello che Belladitta e il suo team hanno esaminato più da vicino. Il quasar ha la designazione EUCL J125308.55+705432.3 (nel consueto stile astronomico, meno un nome che una posizione dettagliata del cielo).
La luce che riceviamo oggi da questo quasar è stata emessa 13 miliardi di anni fa, appena 800 milioni di anni dopo il Big Bang.
La sua luce UV rappresenta solo circa il 15% della luminosità dei precedenti quasar che detenevano record di redshift.
Per il loro seguimento, gli astronomi utilizzarono l’osservatorio NOEMA (Extended Millimeter Array) sull’Altopiano di Bure nelle Alpi francesi.
Le dodici antenne da 15 metri di NOEMA agiscono in concerto come un unico telescopio molto più grande.
Gli astronomi osservarono la luce submillimetrica a due lunghezze d’onda accuratamente scelte, ciascuna delle quali traccia una proprietà diversa della galassia ospite del quasar.
Formazione stellare e contenuto di polvere
Il primo tipo di luce è quello che gli astronomi chiamano la linea [CII]. Questo tipo di luce viene prodotta in nuvole di gas molecolare dove nascono nuove stelle.
La luminosità di questa linea indica quindi il tasso di formazione stellare di una galassia. La luce permette anche di stimare la massa: se hai mai sentito come il suono della sirena di un veicolo di emergenza cambia mentre il veicolo passa, sai come il moto influenza la lunghezza d’onda delle onde.
Applicando lo stesso principio al contrario, il modo in cui la linea [CII] è modellata permette agli astronomi di ricostruire il moto del gas nella galassia ospite del quasar, il che a sua volta fornisce una stima della sua massa totale.
Il secondo tipo di luce è la radiazione termica proveniente dalla polvere fredda in una galassia. L’intensità di questa luce rivela quanta polvere è presente.
La quantità di polvere è tipicamente associata alla quantità di idrogeno molecolare, la materia prima per la formazione stellare – di cui questo quasar sembra avere in abbondanza!
Ricostruzione del tasso di formazione stellare della galassia
Insieme Belladitta e i suoi colleghi sono riusciti a ricostruire le proprietà chiave della galassia che ospita il quasar. La galassia sta formando stelle a un ritmo di oltre 250 masse solari all’anno – una quantità impressionante rispetto alla massa solare all’anno della nostra Via Lattea, ma non inaspettata dato il fatto che le scoperte precedenti sono state rivolte a quasar meno lontani.
La massa della galassia è stimata in circa dieci miliardi di masse solari, un fattore dieci in meno rispetto alla nostra Via Lattea. Questo è coerente con le galassie primitive che hanno ancora molta crescita davanti a sé.
“Abbiamo trovato una galassia che ha tutti gli ingredienti per costruire un sistema gigante: è massiccia quanto gli ospiti dei quasar più luminosi e contiene un enorme serbatoio di gas molecolare per alimentare una formazione stellare intensa”, afferma Silvia Belladitta, ricercatrice post-dottorato presso l’MPIA.
Belladitta, autore principale dello studio e nuova co-leader del Pacchetto di Lavoro Quasar di Euclide, aggiunge: “Questo solleva una possibilità intrigante. I quasar UV-tenui come EUCL J125308.55+705432.3 potrebbero trovarsi in una fase evolutiva diversa rispetto ai loro cugini più luminosi. O il buco nero cresce più lentamente rispetto ai quasar più luminosi, oppure gran parte della sua attività è nascosta dietro spesse nuvole di polvere. Distinguere tra queste possibilità sarà una sfida entusiasmante per le future osservazioni.”
Piani futuri
Per il quadro generale dell’evoluzione galassica, questi sono risultati incrementali. Ma sono comunque risultati pionieristici, e indicano la strada da seguire: con l’intero indagine Euclid di 6 anni che dovrebbe scoprire centinaia di ulteriori quasar precoci di questo tipo, e con osservazioni successive come quelle di Belladitta e dei suoi colleghi che forniscono un insieme sempre più ampio di informazioni sui tassi di formazione stellare e sulle masse galassiche, l’astronomia sta costruendo costantemente un quadro delle galassie più antiche e dei buchi neri supermassicci dell’universo. Questo porterà la storia dell’origine delle galassie, e di noi stessi, a una messa sempre più nitida.
© T. Müller, HdA/MPIA
