Anni prima di essere sicura che il telescopio spaziale James Webb sarebbe stato lanciato con successo, Christina Eilers iniziò a pianificare una conferenza per astronomi specializzati sull’universo primordiale. Sapeva che se – preferibilmente quando – JWST avesse iniziato a fare osservazioni, lei e i suoi colleghi avrebbero avuto molto di cui parlare. Come una macchina del tempo, infatti, il telescopio può vedere più lontano nel passato rispetto a qualsiasi strumento precedente.
Fortunatamente per Eilers (e il resto della comunità astronomica), la sua pianificazione non è stata vana: JWST è stato lanciato e schierato senza intoppi, quindi ha iniziato a scrutare seriamente l’universo primordiale da un milione di miglia di distanza dalla Terra.
A metà giugno, circa 150 astronomi si sono riuniti al Massachusetts Institute of Technology per la conferenza JWST “First Light” di Eilers. Non era passato nemmeno un anno da quando JWST aveva iniziato a inviare immagini sulla Terra. E proprio come Eilers aveva previsto, il telescopio stava già rimodellando la comprensione degli astronomi del primo miliardo di anni del cosmo.
Una serie di oggetti enigmatici spiccava nella miriade di presentazioni. Alcuni astronomi li chiamavano “piccoli mostri nascosti”. Per altri erano “piccoli punti rossi”. Ma qualunque sia il loro nome, i dati erano chiari: quando JWST osserva le giovani galassie – che appaiono come semplici puntini rossi nell’oscurità – ne vede un numero sorprendente con cicloni che si agitano al centro.
“Sembra che ci sia un’abbondante popolazione di fonti di cui non eravamo a conoscenza“, ha detto Eilers, un astronomo del MIT, “che non ci aspettavamo affatto di trovare“. Negli ultimi mesi, un torrente di osservazioni delle macchie cosmiche ha deliziato e confuso gli astronomi.
“Tutti parlano di questi piccoli punti rossi“, ha detto Xiaohui Fan, un ricercatore dell’Università dell’Arizona che ha trascorso la sua carriera alla ricerca di oggetti distanti nell’universo primordiale.
La spiegazione più semplice per le galassie “cuore di tornado” è che grandi buchi neri, pesanti milioni di soli, stanno mandando in delirio le nubi di gas. Questa scoperta è allo stesso tempo attesa e sconcertante. È previsto perché JWST è stato costruito, in parte, per ritrovare oggetti antichi. Sono gli antenati dei colossali buchi neri grandi miliardi di soli che sembrano apparire nella documentazione cosmica inspiegabilmente presto. Studiando questi buchi neri precursori da record, come quelli scoperti quest’anno, gli scienziati sperano di scoprire da dove provenivano i primi giganteschi buchi neri e forse identificare quale delle due teorie concorrenti descrive meglio la loro formazione: sono cresciuti rapidamente, o sono semplicemente nati grandi?
Eppure le osservazioni lasciano perplessi anche perché pochi astronomi si aspettavano che JWST trovasse così tanti giovani, buchi neri affamati – e i sondaggi ne stanno scoprendo a dozzine. Nel tentativo di risolvere il vecchio mistero, gli astronomi hanno scoperto una folla di voluminosi buchi neri che potrebbero riscrivere le teorie consolidate su stelle, galassie e altro ancora.
“Come teorico, devo costruire un universo“, ha detto Marta Volonteri, astrofisica specializzata in buchi neri presso l’Istituto di Astrofisica di Parigi. Volonteri e i suoi colleghi stanno ora affrontando l’afflusso di buchi neri giganti nel cosmo primordiale. “Se sono [reali], cambiano completamente il quadro”.
Una macchina del tempo cosmica
Le osservazioni del JWST stanno scuotendo l’astronomia in parte perché il telescopio può rilevare la luce che raggiunge la Terra da profondità nello spazio impossibili per qualsiasi macchina precedente.
Uno degli obiettivi della missione è catturare le galassie nell’atto di formarsi durante il primo miliardo di anni dell’universo. Le prime osservazioni del telescopio della scorsa estate suggerivano un universo giovane pieno di galassie sorprendentemente mature, ma le informazioni che gli astronomi potevano ricavare da tali immagini erano limitate. Per comprendere veramente l’universo primordiale, gli astronomi avevano bisogno di qualcosa di più delle sole immagini; erano affamati degli spettri di quelle galassie, i dati che arrivano quando il telescopio suddivide la luce in arrivo in tonalità specifiche.
Gli spettri galattici, che JWST ha iniziato a inviare sul serio alla fine dello scorso anno, sono utili per due motivi.
In primo luogo, hanno permesso agli astronomi di stabilire l’età delle galassie. La luce infrarossa raccolta dal JWST è spostata verso il rosso, il che significa che mentre attraversa il cosmo, le sue lunghezze d’onda vengono allungate dall’espansione dello spazio. L’entità di tale spostamento verso il rosso consente agli astronomi di determinare la distanza di una galassia, e quindi il momento in cui originariamente ha emesso la sua luce. Le galassie vicine hanno uno spostamento verso il rosso quasi pari a zero. JWST può facilmente distinguere oggetti con uno spostamento verso il rosso di oltre 5, che corrisponde a circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang. Gli oggetti con spostamenti verso il rosso più elevati sono significativamente più vecchi e più lontani.
In secondo luogo, gli spettri danno agli astronomi un’idea di ciò che sta accadendo in una galassia. Ogni tonalità indica un’interazione tra fotoni e atomi (o molecole) specifici. Un colore ha origine da un atomo di idrogeno che lampeggia mentre si stabilizza dopo un urto; un altro indica atomi di ossigeno spinti e un altro azoto. Uno spettro è uno schema di colori che rivela di cosa è fatta una galassia e cosa fanno questi elementi, e JWST sta fornendo quel contesto cruciale per le galassie a distanze senza precedenti.
“Abbiamo fatto un salto enorme“, ha detto Aayush Saxena, astronomo dell’Università di Oxford. Il fatto che “stiamo parlando della composizione chimica delle galassie redshift 9 è assolutamente straordinario” (Redshift 9 è incredibilmente distante, corrispondente a un tempo in cui l’universo aveva solo 0,55 miliardi di anni).
Gli spettri galattici sono anche strumenti perfetti per trovare uno dei principali perturbatori degli atomi: i giganteschi buchi neri che si nascondono nel cuore delle galassie. Gli stessi buchi neri sono oscuri, ma quando si nutrono di gas e polvere, fanno a pezzi gli atomi, facendoli irradiare colori rivelatori. Molto prima del lancio di JWST, gli astrofisici speravano che il telescopio li avrebbe aiutati a individuare questi schemi e a trovare abbastanza buchi neri grandi e attivi nell’universo primordiale per risolvere il mistero di come si sono formati.
Troppo grande, troppo presto
Il mistero è iniziato più di 20 anni fa, quando un team guidato da Fan ha individuato una delle galassie più distanti mai osservate: un brillante quasar, o una galassia ancorata a un buco nero supermassiccio attivo che pesa forse miliardi di soli. Aveva uno spostamento verso il rosso pari a 5, corrispondente a circa 1,1 miliardi di anni dopo il Big Bang. Con ulteriori esplorazioni del cielo, Fan e i suoi colleghi hanno ripetutamente infranto i propri record, spingendo la frontiera dello spostamento verso il rosso dei quasar a 6 nel 2001 e infine a 7,6 nel 2021, appena 0,7 miliardi di anni dopo il Big Bang.
Il problema era che l’esistenza di buchi neri così giganteschi sembrava impossibile così presto nella storia cosmica.
Come ogni oggetto, i buchi neri richiedono tempo per crescere e formarsi. E come un bambino alto 6 piedi, i buchi neri giganteschi di Fan erano troppo grandi per la loro età: l’universo non era abbastanza grande perché potessero accumulare miliardi di soli di peso. Per spiegare quei bambini troppo cresciuti, i fisici furono costretti a considerare due opzioni sgradevoli.
La prima era che le galassie di Fan all’inizio erano piene di buchi neri standard, di massa approssimativamente stellare, del tipo che spesso lasciano dietro di sé le supernove. Questi poi sono cresciuti sia fondendosi che inghiottendo il gas e la polvere circostanti. Normalmente, se un buco nero festeggia in modo abbastanza aggressivo, un’effusione di radiazioni ne spinge via i bocconi. Ciò ferma la frenesia alimentare e stabilisce un limite di velocità per la crescita del buco nero che gli scienziati chiamano limite di Eddington. Ma è un soffitto morbido: un costante torrente di polvere potrebbe plausibilmente superare l’effusione di radiazioni. Tuttavia, è difficile immaginare di sostenere una crescita “super-Eddington” abbastanza a lungo da spiegare le bestie di Fan: avrebbero dovuto crescere in modo impensabile.
O forse i buchi neri possono nascere incredibilmente grandi. Le nubi di gas nell’universo primordiale potrebbero essere collassate direttamente in buchi neri pesanti molte migliaia di soli, producendo oggetti chiamati semi pesanti. Anche questo scenario è difficile da digerire, perché nubi di gas così grandi e grumose dovrebbero fratturarsi in stelle prima di formare un buco nero.
Una delle priorità di JWST è valutare questi due scenari scrutando il passato e catturando gli antenati più deboli delle galassie di Fan. Questi precursori non sarebbero proprio quasar, ma galassie con buchi neri leggermente più piccoli in procinto di diventare quasar. Con JWST, gli scienziati hanno le migliori possibilità di individuare buchi neri che hanno appena iniziato a crescere: oggetti abbastanza giovani e abbastanza piccoli da consentire ai ricercatori di stabilire il loro peso alla nascita.
Questo è uno dei motivi per cui un gruppo di astronomi del Cosmic Evolution Early Release Science Survey, o CEERS, guidato da Dale Kocevski del Colby College, ha iniziato a fare gli straordinari quando hanno notato per la prima volta segni di buchi neri così giovani che spuntavano nei giorni successivi a Natale.
“È impressionante quanti di questi ce ne siano“, ha scritto Jeyhan Kartaltepe, un astronomo del Rochester Institute of Technology, durante una discussione su Slack. “Tanti piccoli mostri nascosti”, ha risposto Kocevski.
Una folla crescente di mostri
Negli spettri del CEERS, alcune galassie sono subito emerse come potenziali nascondigli di piccoli buchi neri: i piccoli mostri. A differenza dei loro fratelli più vanigliati, queste galassie emettevano luce che non arrivava con una sola tonalità nitida per l’idrogeno. Invece, la linea dell’idrogeno era macchiata, o ampliata, in una gamma di tonalità, indicando che alcune onde luminose sono state schiacciate mentre le nubi di gas orbitanti acceleravano verso JWST (proprio come un’ambulanza in avvicinamento emette un lamento crescente quando le onde sonore della sua sirena vengono compresse) mentre altre le onde si allungavano mentre le nuvole volavano via. Kocevski e i suoi colleghi sapevano che i buchi neri erano praticamente l’unico oggetto in grado di lanciare idrogeno in quel modo.
Entro la fine di gennaio, il team del CEERS era riuscito a produrre una prestampa che descriveva due dei “piccoli mostri nascosti”, come li chiamavano. Quindi il gruppo ha deciso di studiare sistematicamente una fascia più ampia delle centinaia di galassie raccolte dal loro programma per vedere quanti buchi neri ci fossero là fuori. Ma furono presi da un altro team, guidato da Yuichi Harikane dell’Università di Tokyo, poche settimane dopo. Il gruppo di Harikane ha esaminato 185 delle galassie CEERS più distanti e ne ha trovate 10 con ampie righe dell’idrogeno: il probabile lavoro di buchi neri centrali da milioni di masse solari con spostamenti verso il rosso tra 4 e 7. Poi, a giugno, un’analisi di altre due indagini condotte da Jorryt Matthee del Politecnico Federale di Zurigo ha identificato altri 20 “piccoli punti rossi” con ampie linee dell’idrogeno: buchi neri che ruotano intorno al redshift 5. Un’analisi pubblicata all’inizio di agosto ne ha annunciati un’altra dozzina, alcuni delle quali potrebbero addirittura essere in procinto di crescere fondendosi.
“Ho aspettato queste cose per così tanto tempo“, ha detto Volonteri. “È stato incredibile“.
Ma pochi astronomi avevano previsto l’enorme numero di galassie con un grande buco nero attivo. I baby quasar nel primo anno di osservazioni del JWST sono più numerosi di quanto gli scienziati avevano previsto sulla base del censimento dei quasar adulti: tra 10 e 100 volte più abbondanti.
“È sorprendente per un astronomo che ci sbagliassimo di un ordine di grandezza o anche di più“, ha detto Eilers, che ha contribuito all’articolo sui puntini rossi.
“È sempre sembrato che ad alti spostamenti verso il rosso questi quasar fossero solo la punta dell’iceberg“, ha detto Stéphanie Juneau, astronoma del NOIRLab della National Science Foundation e coautrice dell’articolo sui piccoli mostri.
Questi due arrivano a quasi 11
Ma per intravedere i buchi neri nella loro infanzia, gli astronomi sanno che dovranno spingersi ben oltre gli spostamenti verso il rosso di 5 e guardare più in profondità nel primo miliardo di anni dell’universo. Recentemente, diverse squadre hanno individuato buchi neri che si alimentavano a distanze davvero senza precedenti.
A marzo, un’analisi del CEERS condotta da Rebecca Larson, astrofisica dell’Università del Texas, ad Austin, ha scoperto un’ampia linea dell’idrogeno in una galassia con uno spostamento verso il rosso di 8,7 (0,57 miliardi di anni dopo il Big Bang), stabilendo un nuovo record per il maggior buco nero attivo più distante mai scoperto.
Ma il record di Larson cadde solo pochi mesi dopo, dopo che gli astronomi della collaborazione JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) misero le mani sullo spettro di GN-z11. Con lo spostamento verso il rosso 10,6, GN-z11 si trovava al limite più debole della visione del telescopio spaziale Hubble e gli scienziati erano ansiosi di studiarlo con occhi più acuti. A febbraio, JWST aveva trascorso più di 10 ore osservando GN-z11, e i ricercatori hanno potuto subito capire che la galassia era un po’ strana. La sua abbondanza di azoto era “completamente fuori controllo”, come ha detto Jan Scholtz, membro JADES dell’Università di Cambridge. Vedere così tanto azoto in una galassia giovane era come incontrare un bambino di 6 anni con l’ombra dei cinque, soprattutto se l’azoto veniva paragonato alle scarse riserve di ossigeno della galassia, un atomo più semplice che le stelle dovrebbero assemblare per primo.
La collaborazione JADES è proseguita con altre 16 circa ore di osservazione JWST all’inizio di maggio. I dati aggiuntivi hanno reso più nitido lo spettro, rivelando che due tonalità visibili di azoto erano estremamente irregolari: una brillante e una debole. Lo schema, ha detto il team, indicava che GN-z11 era pieno di dense nubi di gas concentrate da una temibile forza gravitazionale.
“È stato allora che ci siamo resi conto che stavamo fissando il disco di accrescimento del buco nero“, ha detto Scholtz. Questo allineamento fortuito spiega perché la galassia lontana era abbastanza luminosa da poter essere vista da Hubble.
Buchi neri estremamente giovani e affamati come GN-z11 sono gli oggetti esatti che gli astrofisici speravano avrebbero risolto il dilemma su come sono nati i quasar di Fan. Ma in un colpo di scena, si scopre che nemmeno il superlativo GN-z11 è abbastanza giovane o abbastanza piccolo da consentire ai ricercatori di determinarne in modo definitivo la massa alla nascita.
“Dobbiamo iniziare a rilevare le masse dei buchi neri con uno spostamento verso il rosso molto più elevato, anche di 11”, ha detto Scholtz. “Non avevo idea che lo avrei detto un anno fa, ma eccoci qui“.
Un accenno di pesantezza
Fino al JWST, gli astronomi ricorrevano a trucchi più sottili per trovare e studiare i buchi neri appena nati, trucchi come chiamare un amico – o un altro telescopio spaziale di punta – per chiedere aiuto.
All’inizio del 2022, un team guidato da Ákos Bogdán, un astronomo del Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian, ha iniziato a puntare periodicamente l’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA verso un ammasso di galassie che sapevano sarebbe stato nella lista dei candidati di JWST. Il cluster agisce come una lente. Piega il tessuto dello spazio-tempo e ingrandisce le galassie più distanti dietro di esso. Il team voleva vedere se qualcuna di quelle galassie emetteva raggi X, il tradizionale biglietto da visita di un vorace buco nero.
Nel corso di un anno, Chandra ha fissato la sua lente cosmica per due settimane – una delle sue campagne di osservazione più lunghe – e ha raccolto 19 fotoni di raggi X provenienti da una galassia chiamata UHZ1, con uno spostamento verso il rosso di 10,1. Quei 19 fotoni ad alto numero di ottano molto probabilmente provenivano da un buco nero in crescita che esisteva meno di mezzo miliardo di anni dopo il Big Bang, rendendolo di gran lunga la sorgente di raggi X più distante mai rilevata.
Combinando i dati JWST e Chandra, il gruppo ha imparato qualcosa di strano e informativo. Nella maggior parte delle galassie moderne, quasi tutta la massa è racchiusa nelle stelle, con meno dell’1% circa nel buco nero centrale. Ma in UHZ1, la massa sembra equamente divisa tra le stelle e il buco nero, che non è lo schema che gli astronomi si sarebbero aspettati per l’accrescimento del super-Eddington.
Una spiegazione più plausibile, ha suggerito il team, è che il buco nero centrale di UHZ1 sia nato quando una nube gigante si è accartocciata in un enorme buco nero, lasciando dietro di sé poco gas per creare stelle. Queste osservazioni “potrebbero essere coerenti con un seme pesante”, ha detto Tremblay, che è un membro del team. È “folle pensare a queste gigantesche sfere di gas che semplicemente collassano”.
È un universo di buchi neri
Alcuni dei risultati specifici della folle corsa agli spettri degli ultimi mesi sono destinati a cambiare man mano che gli studi passano attraverso la revisione tra pari. Ma la conclusione generale – che il giovane universo ha prodotto una serie di giganteschi buchi neri attivi in modo estremamente rapido – è probabile che sopravviva. Dopotutto, i quasar di Fan dovevano pur provenire da qualche parte.
“I numeri esatti e i dettagli di ciascun oggetto rimangono incerti, ma è molto convincente il fatto che stiamo trovando una vasta popolazione di buchi neri in accrescimento“, ha detto Eilers. “JWST li ha rivelati per la prima volta, ed è molto emozionante“.
Per gli specialisti dei buchi neri, si tratta di una rivelazione che si stava preparando da anni. Recenti studi sulle disordinate galassie adolescenti nell’universo moderno hanno suggerito che i buchi neri attivi nelle galassie giovani venivano trascurati. E i teorici hanno faticato perché i loro modelli digitali producevano continuamente universi con molti più buchi neri di quelli che gli astronomi vedevano in quello reale.
“Ho sempre detto che la mia teoria è sbagliata e l’osservazione è giusta, quindi devo correggere la mia teoria“, ha detto Volonteri. Eppure forse la discrepanza non indicava un problema con la teoria. “Forse questi piccoli punti rossi non sono stati presi in considerazione“, ha detto.
Ora che i buchi neri fiammeggianti si stanno rivelando più che semplici cameo cosmici in un universo in maturazione, gli astrofisici si chiedono se riformulare gli oggetti in ruoli teorici più carnosi potrebbe alleviare altri grattacapi.
Dopo aver studiato alcune delle prime immagini del JWST, alcuni astronomi hanno subito sottolineato che alcune galassie sembravano incredibilmente pesanti, considerando la loro giovinezza. Ma almeno in alcuni casi, un buco nero incredibilmente luminoso potrebbe portare i ricercatori a sovrastimare il peso delle stelle circostanti.
Un’altra teoria che potrebbe aver bisogno di essere modificata è la velocità con cui le galassie producono stelle, che tende ad essere troppo alta nelle simulazioni di galassie. Kocevski ipotizza che molte galassie attraversino una fase di mostri nascosti che provoca un rallentamento della formazione stellare; iniziano avvolti nella polvere che crea stelle, e poi il loro buco nero diventa abbastanza potente da disperdere la materia stellare nel cosmo, rallentando la formazione stellare. “Potremmo guardare a quello scenario in gioco”, ha detto.
Mentre gli astronomi sollevano il velo dell’universo primordiale, le intuizioni accademiche sono più numerose delle risposte concrete. Per quanto JWST stia già cambiando il modo in cui gli astronomi pensano ai buchi neri attivi, i ricercatori sanno che le vignette cosmiche rivelate dal telescopio quest’anno non sono che aneddoti rispetto a ciò che verrà. Campagne di osservazione come JADES e CEERS hanno trovato dozzine di probabili buchi neri che li fissano da frammenti di cielo grandi circa un decimo della luna piena. Molti altri piccoli buchi neri attendono l’attenzione del telescopio e dei suoi astronomi.
“Tutti questi progressi sono stati compiuti nei primi 9-12 mesi“, ha detto Saxena. “Ora abbiamo [JWST] per i prossimi nove o 10 anni“.
