L’universo è così saturo di galassie che anche le cose più strane possono passare inosservate per anni dopo che sono state effettuate le osservazioni di “esposizione profonda” del telescopio spaziale Hubble.
In una sorta di Where’s Waldo intergalattico, un team internazionale di astronomi ha scoperto nei dati d’archivio di Hubble un misterioso punto rosso quasi nel mezzo del Great Observatories Origins Deep Survey-North (GOODS-North). Per quanto normale possa sembrare, potrebbe essere un raro anello mancante tra alcune delle primissime galassie e la nascita di buchi neri supermassicci.
L’oggetto, denominato GNz7q, esisteva quando l’universo era solo un bambino, solo 750 milioni di anni dopo il big bang. La miscela di radiazioni dell’oggetto non può essere attribuita alla sola formazione stellare. La migliore spiegazione è che possa trattarsi di un buco nero in crescita avvolto nella polvere.
Con il tempo, il buco nero emergerà dal suo polveroso bozzolo come un brillante quasar, un intenso raggio di luce nel cuore di una galassia primordiale. L’ormai leggendario telescopio Hubble ha così fornito un obiettivo unico per il James Webb Space Telescope della NASA per utilizzare i suoi strumenti spettroscopici per studiare oggetti come GNz7q con dettagli senza precedenti.
Un team internazionale di astronomi, utilizzando i dati d’archivio del telescopio spaziale Hubble della NASA e altri osservatori spaziali e terrestri, ha scoperto un oggetto unico nel lontano universo che è un collegamento cruciale tra le giovani galassie che formano stelle e i primi buchi neri supermassicci. Questo oggetto è il primo del suo genere ad essere scoperto quando l’universo aveva solo 750 milioni di anni. Era rimasto nascosto e inosservato in una delle aree più studiate del cielo notturno. L’oggetto, denominato GNz7q, è il punto rosso al centro dell’immagine dell’Hubble Great Observatories Origins Deep Survey-North (GOODS-North). Crediti: NASA, ESA, Garth Illingworth (UC Santa Cruz), Pascal Oesch (UC Santa Cruz, Yale), Rychard Bouwens (LEI), I. Labbe (LEI), Cosmic Dawn Center/Niels Bohr Institute/Università di Copenaghen, Danimarca
Hubble fa luce sulle origini dei buchi neri supermassicci
Gli astronomi hanno identificato un buco nero in rapida crescita nell’universo primordiale che è considerato un cruciale “anello mancante” tra le giovani galassie ricche di formazione stellare ed i primi buchi neri supermassicci.
Fino ad ora, il mostro, soprannominato GNz7q, era rimasto inosservato in una delle aree più studiate del cielo notturno, il campo Great Observatories Origins Deep Survey-North (GOODS-North).
I dati d’archivio di Hubble dalla Advanced Camera for Surveys di Hubble hanno aiutato il team a determinare che GNz7q già esisteva solo 750 milioni di anni dopo il big bang. Il team ha ottenuto prove che GNz7q è un buco nero di nuova formazione. Hubble ha trovato una sorgente compatta di luce ultravioletta (UV) e infrarossa. Ciò non potrebbe essere causato dall’emissione delle galassie, ma è coerente con la radiazione attesa dai materiali che stanno cadendo in un buco nero.
I buchi neri in rapida crescita nelle prime galassie polverose di formazione stellare sono previsti da teorie e simulazioni al computer, ma fino ad ora non erano stati osservati.
“La nostra analisi suggerisce che GNz7q è il primo esempio di buco nero in rapida crescita nel nucleo polveroso di una galassia starburst in un’epoca vicina al primo buco nero supermassiccio conosciuto nell’universo“, ha spiegato Seiji Fujimoto, astronomo del Niels Bohr Istituto dell’Università di Copenaghen e autore principale dell’articolo su Nature che descrive questa scoperta. “Le proprietà dell’oggetto attraverso lo spettro elettromagnetico sono in ottimo accordo con le previsioni delle simulazioni teoriche“.
Uno dei misteri più importanti dell’astronomia odierna è: come hanno fatto i buchi neri supermassicci, che pesano da milioni a miliardi di volte la massa del Sole, a diventare tanto grandi così velocemente?
Le attuali teorie prevedono che i buchi neri supermassicci inizino la loro vita nei nuclei avvolti dalla polvere di galassie “starburst” che formano vigorosamente stelle prima di espellere il gas e la polvere circostanti ed emergere come quasar estremamente luminosi. Sebbene estremamente rari, sia queste polverose galassie stellari che i quasar luminosi sono stati rilevati nell’universo primordiale.
Il team ritiene che GNz7q potrebbe essere un anello mancante tra queste due classi di oggetti. GNz7q ha esattamente entrambi gli aspetti della polverosa galassia starburst e del quasar, dove la luce del quasar mostra il colore arrossato della polvere. Inoltre, GNz7q manca di varie caratteristiche che si osservano solitamente nei quasar tipici e molto luminosi (corrispondenti all’emissione dal disco di accrescimento del buco nero supermassiccio), il che è molto probabilmente spiegato dal fatto che il buco nero centrale in GN7q è giovane e ancora in una fase meno massiccia.
Queste proprietà combaciano perfettamente con il quasar giovane in fase di transizione che è stato previsto nelle simulazioni, ma non è mai stato identificato in un universo di spostamento verso il rosso simile come i quasar molto luminosi finora identificati fino a un spostamento verso il rosso di 7,6.
“GNz7q fornisce una connessione diretta tra queste due rare popolazioni e offre una nuova strada verso la comprensione della rapida crescita dei buchi neri supermassicci nei primi giorni dell’universo“, ha continuato Fujimoto. “La nostra scoperta fornisce l’esempio di un precursore dei buchi neri supermassicci che osserviamo in epoche successive“.
Mentre altre interpretazioni dei dati del team non possono essere completamente escluse, le proprietà osservate di GNz7q sono in forte accordo con le previsioni teoriche. La galassia ospite di GNz7q sta formando stelle al ritmo di 1.600 masse solari all’anno e la stessa GNz7q appare luminosa alle lunghezze d’onda UV ma molto debole alle lunghezze d’onda dei raggi X.
In generale, il disco di accrescimento di un enorme buco nero dovrebbe essere molto luminoso sia ai raggi UV che ai raggi X. Ma questa volta, sebbene il team abbia rilevato la luce UV con Hubble, la luce a raggi X era invisibile anche con uno dei set di dati di raggi X più profondi. Questi risultati suggeriscono che il nucleo del disco di accrescimento, da cui provengono i raggi X, è ancora oscurato; mentre la parte esterna del disco di accrescimento, dove ha origine la luce UV, sta diventando libera. Questa interpretazione è che GNz7q sia un buco nero in rapida crescita ancora oscurato dal nucleo polveroso della sua galassia ospite di formazione stellare.
“GNz7q è una scoperta unica che è stata trovata proprio al centro di un famoso e ben studiato campo celeste: mostra che spesso grandi scoperte possono essere nascoste proprio di fronte a te“, ha commentato Gabriel Brammer, un altro astronomo del Niels Bohr Institute dell’Università di Copenaghen e membro del team dietro questo risultato. “È improbabile che la scoperta di GNz7q all’interno dell’area di indagine GOODS-Nord relativamente piccola sia stata solo ‘stupida fortuna’, ma piuttosto che la prevalenza di tali fonti possa in realtà essere significativamente più alta di quanto si pensasse in precedenza“.
Trovare GNz7q nascosto in bella vista è stato possibile solo grazie ai set di dati a più lunghezze d’onda estremamente dettagliati disponibili per GOODS-North. Senza questa ricchezza di dati GNz7q sarebbe stato facile da trascurare, poiché manca delle caratteristiche distintive solitamente utilizzate per identificare i quasar nell’universo primordiale. Il team ora spera di cercare sistematicamente oggetti simili utilizzando rilevamenti dedicati ad alta risoluzione e di sfruttare gli strumenti spettroscopici del James Webb Space Telescope della NASA per studiare oggetti come GNz7q con dettagli senza precedenti.
“Con il telescopio spaziale James Webb sarà possibile caratterizzare completamente questi oggetti e sondare la loro evoluzione e la fisica sottostante in modo molto più dettagliato“, ha concluso Fujimoto. “Una volta in regolare funzionamento, Webb avrà il potere di determinare in modo decisivo quanto siano veramente comuni questi buchi neri in rapida crescita“.
Riferimento: “A dusty compact object bridging galaxies and quasars at cosmic dawn” di S. Fujimoto, GB Brammer, D. Watson, GE Magdis, V. Kokorev, TR Greve, S. Toft, F. Walter, R. Valiante, M Ginolfi, R. Schneider, F. Valentino, L. Colina, M. Vestergaard, R. Marques-Chaves, JPU Fynbo, M. Krips, CL Steinhardt, I. Cortzen, F. Rizzo e PA Oesch, 13 aprile 2022, Natura .
DOI: 10.1038/s41586-022-04454-1
