Webb trova la prova più forte finora per le “stelle dei buchi neri”

Il complesso enigma degli oggetti noti come piccoli punti rossi (LRD) è diventato gradualmente più completo dalla loro scoperta iniziale da parte del telescopio spaziale NASA/ESA/CSA James Webb nel 2022. Ora, lo spettro di un particolare puntino rosso aiuta a collegare molti dei pezzi.

 

 

Un team di astronomi guidato da Vasily Kokorev all’Università del Texas ad Austin ha identificato il puntino fortunato in questione: GLIMPSE-17775.

Analizzando attentamente lo spettro del punto catturato da Webb — lo spettro più profondo fino ad oggi di un piccolo punto rosso — il team di ricerca ha identificato molteplici linee di prova, tutte a supporto dell’interpretazione che GLIMPSE-17775 sia un buco nero supermassiccio avvolto in un denso bozzolo di gas parzialmente ionizzato.

Oggi è stato pubblicato un articolo che descrive i risultati su The Astrophysical Journal.

“Penso che una parte della comunità scientifica si stia concentrando su un’immagine singolarmente — che i piccoli puntini rossi possano essere spiegati dai modelli stellari dei buchi neri. Ma nessuno dei precedenti piccoli puntini rossi ha tutte le prove nello stesso posto,” ha detto Kokorev, autore principale dello studio. 

“Con GLIMPSE-17775 possiamo testare questi modelli grazie alla profondità e all’incredibile spettro di questa sorgente.”

Poco dopo che Webb iniziò le sue attività scientifiche, scoprì un nuovo e misterioso tipo di oggetto nell’Universo primordiale: abbondanti oggetti rossi emersi circa 600 milioni di anni dopo il Big Bang.

Gli scienziati hanno esplorato molteplici spiegazioni per questi piccoli puntini rossi, incluso lo scenario della stella del buco nero.

Una serie di circostanze fortunate ha portato a questo elaborato spettro di un piccolo punto rosso. Il piccolo punto rosso che sarebbe poi diventato noto come GLIMPSE-17775 fu fortunatamente incluso negli sforzi di imaging e spettroscopia di Webb per un progetto che mirava a cercare stelle della Popolazione III e galassie deboli nell’ammasso galattico Abell S1063.

Questo piccolo punto rosso è più distante dell’ammasso di galassie ed è amplificato dalla lente gravitazionale (GLIMPSE-17775 ha uno spostamento verso il rosso cosmologico di 3,5, il che significa che esisteva circa 1,8 miliardi di anni dopo il Big Bang).

“La sorgente è stata scoperta dal programma GLIMPSE, progettato per rivelare le fonti più deboli dell’Universo primordiale”, ha detto Hakim Atek, dell’Institut d’Astrophysique de Paris in Francia, coautore dello studio e Principal Investigator del programma GLIMPSE.

 “Inoltre,l’ingrandimento tramite lente gravitazionale permette anche una caratterizzazione più dettagliata di oggetti più luminosi, inclusi gli LRD come GLIMPSE-17775.”

Mentre Webb forniva uno spettro di 30 ore del piccolo punto rosso, l’effetto della lente gravitazionale lo rendeva equivalente a 80 ore di tempo telescopico.

Questa combinazione della sensibilità all’infrarosso di Webb e della “lente d’ingrandimento” della natura amplificava la quantità di dettagli che si poteva ricacare da GLIMPSE-17775. Il risultato è stato più di 40 linee spettrali da questa piccola sorgente rossa, che rappresenta lo spettro LRD più dettagliato fino ad oggi.

“Quando abbiamo visto lo spettro per la prima volta, è stato come avere tutti i pezzi di un puzzle sparsi sul pavimento”, ha detto Kokorev. “Abbiamo preso ogni pezzo del puzzle, misurato le linee e iniziato a combinare i diversi pezzi in un mosaico. Forse qualche pezzo all’inizio sembrava nulla, ma poi un paio si sono uniti e ci siamo resi conto che c’era qualcosa.”

I dati spettroscopici raccolti da Webb contengono molteplici linee di evidenza che supportano l’interpretazione che il piccolo punto rosso GLIMPSE-17775 sia una stella del buco nero: un buco nero che si accreita rapidamente, o cresce, avvolto in un denso bozzolo gasso, che sta rielaborando la luce emessa vicino al buco nero e producendo le caratteristiche viste nello spettro.

Tra le oltre 40 linee rilevate dal team nello spettro di GLIMPSE-17775 c’erano vari indicatori indipendenti che si allineano tutti allo scenario della stella del buco nero.

Ad esempio, il team ha scoperto che molte delle linee spettrali (come idrogeno, ossigeno ed elio) non si conformano a un semplice modello di una nube di gas rotante.

Al contrario, il modello più adatto include un effetto di allargamento noto come scattering degli elettroni: un segno evidente che un denso bozzolo di gas stratificato sta avvolgendo questa sorgente.

La resistenza e i rapporti di certe linee tra loro, in particolare le 16 linee di ferro che compongono quella che il team ha definito una “foresta di ferro” e alcune linee di ossigeno, richiedono una fonte di energia ad alta intensità per produrle, come un buco nero che si accre rapidamente. Inoltre, gli astronomi hanno notato la fluorescenza e l’assorbimento dell’elio nello spettro, entrambi suggerendo individualmente che esista un mezzo denso che avvolge una sorgente potente.

Lo scenario della stella del buco nero non solo corrisponde a GLIMPSE-17775; spiega anche perché la maggior parte dei piccoli puntini rossi è sbiadita nei raggi X, poiché qualsiasi emissione di questo tipo viene probabilmente assorbita dal denso bozzolo gassoso.

Un elemento mancante del pezzo del puzzle GLIMPSE-17775 è la parte dello spettro che rivelerebbe quella che viene chiamata rottura Balmer, ovvero una forte diminuzione della luce emessa caratteristica dei piccoli puntini rossi.

Per costruire una comprensione più completa di questo piccolo punto rosso, il team ha incorporato dati ausiliari di due programmi di osservazione che utilizzavano il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA: Frontier Fields e BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations).

I dati di Webb e Hubble insieme aiutano a spiegare perché la rottura di Balmer è più debole rispetto ad altri piccoli punti rossi: una gigantesca galassia ospite circonda GLIMPSE-17775.

Sebbene la galassia ospite di un LRD non sia stata solitamente vista su tale scala prima, non è incoerente con il modello del bozzolo gassoso denso. Il modello stellare del buco nero con piccoli puntini rossi attribuisce la luce blu in eccesso alle stelle della galassia ospite.

Quando Webb scoprì per la prima volta i piccoli puntini rossi, alcuni ricercatori pensarono che questi oggetti avessero una “cosmologia rotta”, senza capire come le galassie potessero crescere così rapidamente così rapidamente nell’Universo primordiale da spiegare tutta questa luce proveniente dalle loro stelle.

Tuttavia, il team ritiene che il pezzo del puzzle GLIMPSE-17775 si inserisca perfettamente nel quadro esistente della storia evolutiva dell’Universo, perché le masse dei buchi neri non devono essere così elevate per spiegare le ampie linee di emissione.

“Tutto si incastra, nulla è rotto, e penso che questo renda il puzzle che è il nostro Universo ancora migliore,” ha detto Kokorev.

“Guardando avanti, sono impaziente di approfondire e scoprire cosa alimenta i motori centrali dei piccoli puntini rossi. Anche se pensiamo che sia un buco nero, ci sono altre teorie interessanti che vengono proposte, il che è entusiasmante. Forse tra uno o due anni avremo la risposta definitiva su cosa alimenta queste fonti.”

 

 

NASA, ESA, CSA, V. Kokorev (University of Texas at Austin), A. Pagan (STScI)