Webb rivela un buco nero formatosi prima della sua galassia

La prima misurazione diretta di massa proveniente dall’Universo primordiale si inserisce nel dibattito sulle origini dei buchi neri supermassicci.

 

 

 

Utilizzando la potenza di imaging e spettroscopica senza precedenti del telescopio spaziale NASA/ESA/CSA James Webb, i ricercatori hanno mappato il moto e la composizione del gas che orbita attorno a un buco nero al centro di Abell2744-QSO1, una minuscola galassia a più di 13 miliardi di anni luce di distanza.

I risultati suggeriscono che il buco nero di 50 milioni di masse solari preceda la galassia ospite, formandosi forse nel primo secondo del Big Bang, e deve essere stato immenso fin dall’inizio.

Cosa viene prima, la galassia o il buco nero? Gli scienziati hanno da tempo pensato che potesse essere la galassia: grandi stelle all’interno di una galassia esistente consumano il loro carburante e collassano formando buchi neri, che possono inghiottire il materiale circostante e fondersi nel tempo per formare entità più massicce.

Ma è difficile capire come buchi neri, con una massa da milioni o miliardi di volte quella del Sole, migliaia dei quali sono stati ora rilevati nell’Universo primordiale, abbiano potuto crescere così rapidamente da semi così piccoli.

Ora, i ricercatori che utilizzano Webb hanno rilevato prove chiare che alcuni buchi neri supermassicci erano enormi fin dall’inizio, formandosi senza una fase di collasso stellare e senza una galassia ospite significativamente più massiccia a nutrirli.

“Questa è una scoperta straordinaria“, ha detto Roberto Maiolino dell’Università di Cambridge nel Regno Unito, coautore di studi pubblicati su Nature e sui Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. “È un cambiamento di paradigma, una totale revisione degli scenari classici su come si formano e crescono i buchi neri.”

La conclusione del team si basa su osservazioni dettagliate di Abell2744-QSO1 (QSO1), un prototipo del Piccolo Punto Rosso che esisteva appena 700 milioni di anni dopo il Big Bang.

Sebbene QSO1 abbia solo 1.300 anni luce di diametro e la sua luce viaggi da più di 13 miliardi di anni, è più facile da studiare rispetto alla maggior parte degli altri Piccoli Punti Rossi perché l’ammasso di galassie Abell 2744 (Ammasso di Pandora) agisce come lente gravitazionale.

Gli studi iniziali di QSO1 hanno rivelato prove convincenti che potrebbe essere poco più di una nube di gas idrogeno ed elio incandescente che orbita intorno a un buco nero supermassiccio stimato in 40 milioni di volte la massa del Sole.

Ma, come per altri primi buchi neri scoperti da Webb, c’era incertezza sul fatto che fosse davvero così massiccio.

“Fino ad ora, tutte le misurazioni di massa dei buchi neri nell’Universo primordiale erano indirette, basate su ipotesi basate su ciò che sappiamo su di loro nell’Universo locale. Non sapevamo se queste ipotesi si applicassero davvero all’Universo lontano,” ha detto il coautore Francesco D’Eugenio, anch’egli dell’Università di Cambridge.

Il team ha riconosciuto che, se il buco nero di QSO1 è così massiccio come appare, dovrebbe essere in grado di utilizzare l’unità di campo integrale (IFU) sul NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) di Webb per tracciare gli effetti della sua gravità sul gas che lo circonda, mappando al contempo la distribuzione dei vari elementi nel gas.

Lo studente laureato di Cambridge Ignas Juodžbalis e Cosimo Marconcini dell’Università di Firenze in Italia, autori principali di uno degli studi, hanno utilizzato le osservazioni dell’IFU per mappare i movimenti del gas idrogeno che circonda il buco nero.

Quando hanno tracciato la velocità di rotazione in funzione della distanza dal centro, hanno scoperto che il gas ha moto kepleriano: orbita attorno a un punto centrale nello stesso modo in cui i pianeti del nostro Sistema Solare orbitano attorno al Sole.

“Questo è importante perché ci dice che la maggior parte della massa di QSO1 è concentrata nel buco nero al centro,” ha detto Juodžbalis.

“Se la massa fosse più distribuita, come sarebbe se ci fossero molte stelle, il gas non avrebbe questa rotazione kepleriana perfetta.

Poiché il moto kepleriano è governato da semplici leggi di gravità, il team è riuscito a utilizzare le misurazioni della velocità del gas per calcolare direttamente la massa del buco nero, un’impresa che prima non era stata possibile.

Hanno scoperto che non solo il buco nero è immenso — circa 50 milioni di masse solari — ma rappresenta anche due terzi della massa totale di QSO1.

Questa proporzione è migliaia di volte superiore rispetto alle galassie vicine, dove i buchi neri supermassicci costituiscono solo una piccola frazione della massa totale della galassia ospite.

Le mappe di composizione IFU supportarono questi risultati, mostrando che il gas in tutto QSO1 è quasi interamente composto da idrogeno ed elio, con pochissimi elementi più pesanti come l’ossigeno che ci si aspetterebbe in una galassia ricca di stelle e detriti stellari.

Con una metallicità inferiore allo 0,5% del Sole, QSO1 è uno degli ambienti galattici più incontaminati mai misurati.

“Questo è un risultato fenomenale,” ha detto Maiolino. “È la prima misurazione diretta di una massa di buco nero entro il primo miliardo di anni dopo il Big Bang, ed è coerente con le misurazioni precedenti.”

Il team ritiene che questo sia un buon segno che le assunzioni usate per le misurazioni indirette della massa siano valide e che le masse di altri buchi neri nell’Universo primordiale non siano state sopravvalutate.

La massa sproporzionata di QSO1 rispetto alla galassia ospite suggerisce che non possa essersi formata gradualmente da buchi neri di massa stellare molto più piccoli che si fondono e si alimentano.

“Sembra che abbiamo trovato un buco nero che non ha una galassia ospite sostanziale e che ha preceduto i processi stellari,” ha detto Juodžbalis.

“Questo è molto entusiasmante perché rappresenta una prova per buchi neri primordiali o buchi neri a collasso diretto, che sono stati teorizzati ma non confermati.”

Che il buco nero di QSO1 si sia evoluto da un “seme pesante” formatosi nel primo secondo del Big Bang o un po’ più tardi dal crollo di una gigantesca nube di gas, è quasi certamente nato grande e potrebbe essere nelle prime fasi di costruzione di una galassia attorno a sé.

Il team ritiene che i Piccoli Puntini Rossi come QSO1 non possano essere stati rari nell’Universo primordiale, e sta analizzando oggetti simili per scoprire se i buchi neri supermassicci precedano effettivamente le galassie in cui attualmente si trovano.

 

Credit: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Ben-Gurion University), R. Maiolino (Cambridge), F. D’Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (University of Florence). Image processing: A. Pagan