Una recente scoperta del telescopio spaziale James Webb (JWST) della NASA ha confermato che tre oggetti misteriosi, luminosi e rossi, precedentemente individuati nell’Universo primordiale, capovolgono il pensiero convenzionale sulle origini e l’evoluzione delle galassie e dei loro buchi neri supermassicci.
Scoprire l’origine dei tre oggetti misteriosi
Un team internazionale, guidato da ricercatori della Penn State, utilizzando lo strumento NIRSpec a bordo del JWST come parte dell’indagine RUBIES, ha identificato tre oggetti misteriosi nell’Universo primordiale, circa 600-800 milioni di anni dopo il Big Bang. La scoperta è stata annunciata su Astrophysical Journal Letters.
Il team ha studiato le misurazioni spettrali, o l’intensità di diverse lunghezze d’onda della luce emessa dagli oggetti misteriosi. La loro analisi ha trovato firme di stelle “vecchie“, vecchie di centinaia di milioni di anni, molto più vecchie di quanto ci si aspettasse in un Universo giovane.
I ricercatori hanno affermato di essere rimasti sorpresi anche nello scoprire tracce di enormi buchi neri supermassicci negli stessi oggetti, stimando che siano da 100 a 1.000 volte più massicci del buco nero supermassiccio nella nostra Via Lattea.
Nessuno di questi è previsto negli attuali modelli di crescita delle galassie e di formazione di buchi neri supermassicci, che prevedono che le galassie e i loro buchi neri crescano insieme nel corso di miliardi di anni di storia cosmica.
Lo studio
“Abbiamo confermato che sembrano essere pieni di stelle antiche, vecchie di centinaia di milioni di anni, in un Universo che ha solo 600-800 milioni di anni. Sorprendentemente, questi oggetti misteriosi detengono il record per le prime firme di vecchia luce stellare”, ha affermato Bingjie Wang, ricercatore presso la Penn State e autore principale della ricerca.
“È stato del tutto inaspettato trovare stelle vecchie in un Universo molto giovane. I modelli standard di cosmologia e formazione delle galassie hanno avuto un successo incredibile, eppure questi oggetti luminosi non si adattano perfettamente a quelle teorie“.
I ricercatori hanno individuato per la prima volta gli enormi oggetti nel luglio del 2022, quando il set di dati iniziale è stato rilasciato da JWST. Diversi mesi dopo il team ha pubblicato un articolo su Nature in cui ha annunct l’esistenza degli oggetti misteriosi.
All’epoca, i ricercatori hanno ipotizzato che gli oggetti fossero galassie, ma hanno proseguito la loro analisi prendendo spettri per comprendere meglio le reali distanze degli oggetti, così come le fonti che alimentano la loro immensa luce.
I ricercatori hanno poi utilizzato i nuovi dati per tracciare un quadro più chiaro di come apparivano le galassie e di cosa contenevano. Non solo il team ha confermato che gli oggetti erano effettivamente galassie vicine all’inizio del tempo, ma hanno anche trovato prove di buchi neri supermassicci sorprendentemente grandi e di una popolazione antica di stelle.
Joel Leja, Professore associato di astronomia e astrofisica alla Penn State e coautore di entrambi gli articoli ha dichiarato: “Si può far sì che questo si adatti in modo scomodo al nostro attuale modello dell’Universo, ma solo se evochiamo una qualche formazione esotica e follemente rapida all’inizio del tempo. Questo è, senza dubbio, il set di oggetti misteriosi più peculiare e interessante che abbia mai visto nella mia carriera”.
Il JWST è dotato di strumenti di rilevamento a infrarossi in grado di rilevare la luce emessa dalle stelle e dalle galassie più antiche. In sostanza, il telescopio consente agli scienziati di tornare indietro nel tempo di circa 13,5 miliardi di anni, vicino all’inizio dell’Universo come lo conosciamo.
Una sfida nell’analizzare la luce antica è che può essere difficile distinguere tra i tipi di oggetti che avrebbero potuto emettere la luce. Nel caso di questi primi oggetti, hanno chiare caratteristiche sia dei buchi neri supermassicci che delle vecchie stelle.
Non è ancora chiaro quanta della luce osservata provenga da ciascuna di esse, il che significa che potrebbero trattarsi di galassie primordiali inaspettatamente vecchie e più massicce persino della nostra Via Lattea, formatesi molto prima di quanto previsto dai modelli, oppure potrebbero essere galassie di massa più normale con buchi neri “sovramassicci“, circa da 100 a 1.000 volte più massicci di quanto una galassia del genere avrebbe oggi.
“Distinguere tra la luce proveniente dal materiale che cade in un buco nero e la luce emessa dalle stelle in questi piccoli oggetti misteriosi e distanti è impegnativo“, ha aggiunto Wang: “L’incapacità di distinguere tra i dati attuali lascia ampio spazio all’interpretazione di questi oggetti interessanti. Onestamente, è stimolante avere ancora così tanto mistero da capire”.
A parte la loro massa ed età inspiegabili, se parte della luce proviene effettivamente da buchi neri supermassicci, allora non sono nemmeno normali buchi neri supermassicci. Producono molti più fotoni ultravioletti del previsto, e oggetti simili studiati con altri strumenti non hanno le firme caratteristiche dei buchi neri supermassicci, come la polvere calda e l’emissione di raggi X luminosi. Forse la cosa più importante, è quanto sembrano enormi.
“Normalmente i buchi neri supermassicci sono accoppiati con le galassie“, ha spiegato Leja: “Crescono insieme e attraversano insieme tutte le principali esperienze di vita. Ma qui abbiamo un buco nero adulto completamente formato che vive all’interno di quella che dovrebbe essere una piccola galassia. Questo non ha davvero senso, perché queste cose dovrebbero crescere insieme, o almeno questo è quello che pensavamo”.
I ricercatori erano anche perplessi dalle dimensioni incredibilmente piccole di questi sistemi, larghi solo poche centinaia di anni luce, circa 1.000 volte più piccoli della nostra Via Lattea. Le stelle sono numerose all’incirca quanto nella nostra galassia, la Via Lattea, con un numero compreso tra 10 miliardi e 1 trilione di stelle, ma contenute in un volume 1.000 volte più piccolo della Via Lattea.
Leja ha spiegato che se prendessimo la Via Lattea e la comprimessimo fino alle dimensioni delle galassie trovate, la stella più vicina si troverebbe quasi nel nostro sistema solare. Il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea, a circa 26.000 anni luce di distanza, si troverebbe a soli 26 anni luce dalla Terra e sarebbe visibile nel cielo come un gigantesco pilastro di luce.
Conclusioni
“Queste galassie primordiali sarebbero così dense di stelle, stelle che devono essersi formate in un modo che non abbiamo mai visto, in condizioni che non ci aspetteremmo mai e in un periodo in cui non ci aspetteremmo mai di vederle”, ha osservato Leja: “E per qualche motivo, l’Universo ha smesso di produrre oggetti misteriosi come questi dopo solo un paio di miliardi di anni. Sono unici per l’ Universo primordiale”.
I ricercatori sperano di proseguire con ulteriori osservazioni, che secondo loro potrebbero aiutare a spiegare l’origine degli oggetti misteriosi. Hanno in programma di acquisire spettri più profondi puntando il telescopio verso gli oggetti per periodi di tempo prolungati, il che aiuterà a districare l’emissione delle stelle e del potenziale buco nero supermassiccio identificando le specifiche firme di assorbimento che sarebbero presenti in ciascuno.
“C’è un altro modo in cui potremmo fare una svolta, ed è proprio l’idea giusta“, ha concluso Leja: “Abbiamo tutti questi pezzi del puzzle e si incastrano solo se ignoriamo il fatto che alcuni di essi si stanno rompendo. Questo problema è riconducibile a un colpo di genio che finora è sfuggito a noi, a tutti i nostri collaboratori e all’intera comunità scientifica“.
