Gli astronomi del MIT hanno osservato la sfuggente luce stellare che circonda alcuni dei quasar più antichi dell’universo. Segnali lontani, risalenti a più di 13 miliardi di anni dall’inizio dell’universo, rivelano indizi su come si sono evoluti i buchi neri e le prime galassie.
I quasar sono i centri ardenti delle galassie attive, che ospitano al loro interno un insaziabile buco nero supermassiccio. La maggior parte delle galassie ospita un buco nero centrale che occasionalmente può nutrirsi di gas e detriti stellari, generando una breve esplosione di luce sotto forma di un anello luminoso mentre il materiale ruota verso il buco nero.
Al contrario, i quasar possono consumare enormi quantità di materia su scale temporali molto più lunghe, generando un anello estremamente luminoso e di lunga durata – così luminoso, infatti, che i quasar sono tra gli oggetti più luminosi dell’universo.
Poiché sono così luminosi, i quasar eclissano il resto della galassia in cui risiedono. Ma il team del MIT è riuscito per la prima volta a osservare la debole luce proveniente dalle stelle nelle galassie ospiti di tre antichi quasar.
Basandosi su questa sfuggente luce stellare, i ricercatori hanno stimato la massa di ciascuna galassia ospite, rispetto alla massa del suo buco nero supermassiccio centrale. Hanno scoperto che in questi quasar i buchi neri centrali erano molto più grandi rispetto alle galassie che li ospitavano rispetto alle loro controparti moderne.
I risultati, pubblicati oggi su The Astrophysical Journal, potrebbero far luce su come i buchi neri supermassicci possano diventare così massicci nonostante abbiano un periodo di crescita relativamente breve. In particolare, quei primi mostruosi buchi neri potrebbero essere nati da “semi” più massicci rispetto ai buchi neri moderni.
“Dopo che l’universo è emerso, ci sono stati buchi neri primordiali che hanno poi consumato la materia e sono cresciuti in un tempo molto breve”, afferma l’autore dello studio Minghao Yu, ricercatore post-dottorato presso il Kavli Institute for Astrophysicals and Space Research del MIT. “Una delle grandi domande è capire come questi enormi buchi neri possano crescere così massicci e così rapidamente”.
“Questi buchi neri sono miliardi di volte più massicci del Sole, in un’epoca in cui l’universo è ancora nella sua infanzia”, afferma l’autrice dello studio Anna-Kristina Ehlers, assistente professore di fisica al MIT. “I nostri risultati suggeriscono che nell’universo primordiale, i buchi neri supermassicci potrebbero aver guadagnato massa prima delle galassie che li ospitavano, e i semi dei buchi neri primordiali avrebbero potuto essere più massicci di quanto lo siano oggi”.
I coautori di Ehlers e Yue includono il direttore del MIT Kavli Robert Simcoe, il MIT Hubble Fellow e il ricercatore post-dottorato Rohan Naidu, e collaboratori in Svizzera, Austria, Giappone e North Carolina State University.
Nuclei abbaglianti
L’intensa luminosità dei quasar è stata evidente da quando gli astronomi hanno scoperto per la prima volta gli oggetti negli anni ’60. Hanno quindi ipotizzato che la luce del quasar provenga da un’unica “sorgente puntiforme” simile a una stella. Gli scienziati hanno chiamato questi oggetti “quasar”, poiché sono un gruppo di oggetti “quasi stellari”. Da quelle prime osservazioni, gli scienziati hanno capito che i quasar non sono in realtà di origine stellare ma emergono dall’accrescimento di buchi neri estremamente potenti, persistenti e massicci al centro di galassie che ospitano anche stelle, che sono molto più deboli delle loro abbaglianti stelle. Nuclei.
È stato estremamente difficile separare la luce proveniente dal buco nero centrale del quasar dalla luce delle stelle della galassia ospite. La missione è un po’ come avvistare un campo di lucciole attorno a un enorme riflettore centrale. Ma negli ultimi anni, gli astronomi hanno avuto un’opportunità molto migliore per farlo con il lancio del James Webb Space Telescope (JWST) della NASA, che è stato in grado di guardare più indietro nel tempo e con sensibilità e risoluzione molto più elevate rispetto a qualsiasi telescopio esistente. . Osservatorio.
Nel loro nuovo studio, Yue ed Ehlers hanno dedicato del tempo al James Webb Space Telescope per osservare sei antichi quasar conosciuti, in modo intermittente dall’autunno del 2022 fino alla primavera successiva. In totale, il team ha raccolto più di 120 ore di osservazioni dei sei oggetti distanti.
“Il quasar supera la galassia ospite di molti ordini di grandezza”, afferma Yu. “Le immagini precedenti non erano abbastanza nitide da distinguere la forma della galassia ospite con tutte le sue stelle”. “Ora, per la prima volta, siamo in grado di rilevare la luce proveniente da queste stelle modellando le immagini JWST più nitide di questi quasar”.
Equilibrio leggero
Il team ha valutato i dati di imaging raccolti dal telescopio spaziale James Webb per ciascuno dei sei quasar distanti, che secondo le stime hanno circa 13 miliardi di anni. Questi dati includevano misurazioni della luce di ciascun quasar a diverse lunghezze d’onda. I ricercatori hanno inserito questi dati in un modello che mostra quanta di questa luce provenga probabilmente da una “sorgente puntiforme” compatta, come il disco di accrescimento di un buco nero centrale, rispetto a una fonte più diffusa, come la luce proveniente da stelle sparse. che circonda la galassia ospite. .
Attraverso questo modello, il team ha separato la luce di ciascun quasar in due componenti: la luce proveniente dal disco luminoso del buco nero centrale e la luce proveniente dalle stelle più diffuse nella galassia ospite. La quantità di luce proveniente da entrambe le sorgenti riflette la loro massa totale. I ricercatori stimano che per questi quasar il rapporto tra la massa del buco nero centrale e la massa della galassia ospite fosse di circa 1:10. Si sono resi conto che questo era in netto contrasto con l’attuale bilancio di massa di 1:1000, dove i buchi neri appena formati sono molto meno massicci rispetto alle galassie che li ospitano.
“Questo ci dice qualcosa su ciò che cresce per primo: è il buco nero che cresce per primo, e poi segue la galassia? Oppure sono la galassia e le sue stelle che crescono per prime, dominando e regolando la crescita del buco nero?” Ehlers spiega. “Vediamo che i buchi neri nell’universo primordiale sembrano crescere più velocemente delle galassie che li ospitano. Questa è una prova provvisoria che i semi del buco nero primordiale avrebbero potuto essere più grandi in quel momento.”
“Deve esserci qualche meccanismo per far sì che il buco nero acquisisca massa prima della sua galassia ospite in quei primi miliardi di anni”, aggiunge Yu. “È una specie di prima prova che vediamo in merito, il che è entusiasmante.”
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