Nāpōwawāʻenakaulua, la coppia di quasar compatti più antica dell’universo

Il telescopio Gemini North sul Maunakea e il James Webb Space Telescope osservano la coppia di buchi neri supermassivi che si alimentavano rapidamente appena 900 milioni di anni dopo il Big Bang.

 

 

 

La coppia più antica di quasar compatti mai osservata è stata trovata solo 900 milioni di anni dopo il Big Bang.

Gli scienziati affermano che non esiste una spiegazione teorica per come la coppia di buchi neri attivi in alimentazione sia cresciuta così massiccia in un periodo così precoce della storia dell’Universo.

La coppia di quasar ha ricevuto il soprannome hawaiano Nāpōwawāʻenakaulua.

Un team internazionale di astronomi ha scoperto J1602+4228AB, soprannominato Nāpōwawāʻenakaulua, la coppia di quasar più distante e quindi compatta mai trovata nell’Universo.

La loro stretta separazione li rende anche la coppia di quasar più compatta presente nell’era dell’Universo primordiale nota come alba cosmica.

Sebbene gli astronomi teorizzino che le coppie di quasar siano comuni, trovare e caratterizzare effettivamente questi oggetti energetici è raro. Ancora più rari — trovarli così presto nella storia dell’Universo.

La natura sorprendente di Nāpōwawāʻenakaulua è stata rivelata tramite osservazioni con il telescopio Gemini North, situato sul vulcano dormiente Maunakea alle Hawai’i, e con il James Webb Space Telescope (JWST).

Silvia Onorato, ricercatrice post-dottorato presso NSF NOIRLab, ha guidato lo studio. I risultati sono presentati in un articolo pubblicato su The Astrophysical Journal Letters.

Gemini North è una metà dell’International Gemini Observatory, una collaborazione internazionale guidata dalla U.S. National Science Foundation, in collaborazione con Canada, Cile, Brasile, Argentina e Repubblica di Corea, e gestita da NSF NOIRLab.

I primi miliardi di anni di tempo cosmico furono un periodo di furiosa assemblaggio: gli aloni di materia oscura collassarono, le galassie accesero la loro prima generazione di stelle e galassie massicce formarono i primissimi buchi neri supermassicci al loro centro.

Man mano che le galassie interagivano, collidono e in alcuni casi si fondono completamente, i loro buchi neri supermassicci venivano alimentati da grandi quantità di gas e stelle.

Una frazione di questa “massa accresciuta” derivante dall’alimentazione veniva convertita in energia, facendo sì che i buchi neri diventassero così luminosi da oscurare tutte le stelle della galassia ospitante. Questi sono ciò che gli astronomi chiamano quasar.

Gli scienziati hanno stabilito che le interazioni e le fusioni tra galassie sono comuni nell’Universo. Pertanto, si aspettano di trovare un’abbondanza di coppie di quasar con una separazione inferiore alla dimensione tipica di una galassia.

Tuttavia, ciò si è rivelato difficile per alcune ragioni: 1) la “fase quasar” di un buco nero supermassiccio è relativamente breve; 2) questi oggetti sono molto lontani, quindi sono deboli e difficili da rilevare con telescopi terrestri; 3) a scale di separazione così piccole, i singoli membri di una coppia di quasar sono difficili da definire.

Entra in scena Nāpōwawāʻenakaulua, che non è solo la terza coppia di quasar conosciuta trovata all’alba cosmica, ma fu scoperta così presto nella storia dell’Universo che gli scienziati non riescono a spiegare come sia nata la sua esistenza.

La natura di Nāpōwawāʻenakaulua è catturata nel suo nome, che si traduce in “Due corpi celesti di oscurità insondabile e potente nella brillantezza del calore che reincarna l’energia nell’Universo”, come creato dal programma A Hua He Inoa presso l’ʻImiloa Astronomy Center delle Hawaii e dal Ka Haka ʻUla O Keʻelikōlani (Hawaiian Language College) dell’Università delle Hawaii.

La coppia è separata da una distanza di circa 18.100 anni luce, ovvero circa un quinto del diametro della Galassia della Via Lattea. Hanno masse rispettivamente di 1,5 miliardi e 400 milioni di volte quella del Sole.

La loro distanza da noi li colloca a soli 900 milioni di anni dopo il Big Bang. Durante questo periodo, le prime stelle, galassie e buchi neri dell’Universo erano ancora relativamente giovani. La massa estrema di Nāpōwawāʻenakaulua in questo periodo sfida quindi la nostra attuale comprensione di come si formano le strutture cosmiche su larga scala.

“Non esiste una spiegazione teorica definitiva su come uno di questi giganteschi quasar possa esistere così presto nell’era del nostro Universo, figuriamoci due”, afferma Onorato.

“Abbiamo osservato Nāpōwawāʻenakaulua in un’epoca in cui l’Universo aveva solo un tredicesimo della sua età e, sorprendentemente, i suoi buchi neri supermassicci sono enormi quanto quelli che vediamo oggi.”

Nāpōwawāʻenakaulua è stato scoperto nei dati dell’indagine Aether, un programma JWST guidato da Emanuele Paolo Farina, Scienziato Associato presso NSF NOIRLab/Gemini, volto a compilare un censimento degli oggetti nell’Universo primordiale.

Utilizzando l’Unità Integrale di Campo dello Spettrografo nel Vicino Infrarosso del JWST, il sondaggio ha raccolto un campione di 200 quasar, rappresentando il 43% di tutti i quasar conosciuti a questa fase della storia cosmica. Fu durante ispezioni visive del dataset Aether che il team fece la scoperta entusiasmante che il quasar J1602+4228A aveva un compagno.

Le osservazioni successive con il Gemini North Near-Infrared Spectrograph (GNIRS) di Gemini North hanno permesso al team di risolvere i due quasar come individui. J1602+4228A e B sono così vicini tra loro, e J1602+4228B è così debole che osservarlo da terra sarebbe dovuto essere quasi impossibile.

Tuttavia, tempismo perfetto e condizioni meteorologiche ideali su Maunakea permisero al team di raggiungere questa impresa scientifica. “Il cielo sopra Maunakea era così pulito e nitido che riuscimmo a raccogliere i dati in sole due notti,” dice Onorato. Ulteriori osservazioni con il Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) hanno ulteriormente limitato le proprietà della coppia di quasar.

Sebbene la storia completa delle origini di Nāpōwawāʻenakaulua rimanga un mistero, il team propone che questa rara coppia di quasar possa servire da segnale per un picco estremo nel campo di densità di materia dell’Universo primordiale, dove le interazioni galattiche alimentavano contemporaneamente la formazione stellare e la rapida crescita dei buchi neri.

“Nāpōwawāʻenakaulua è un ambiente davvero unico,” afferma Onorato.

“È un laboratorio per astronomi per studiare come le primissime galassie massicce e i loro buchi neri centrali si siano uniti attraverso interazioni dirette tra galassie in quei primi tempi.”

Credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld/M. Zamani