Utilizzando il telescopio spaziale James Webb, gli astronomi hanno osservato la drammatica “danza” tra un buco nero supermassiccio e due galassie satelliti. Queste osservazioni potrebbero aiutare gli scienziati a comprendere meglio come le galassie e i buchi neri supermassicci siano cresciuti nell’universo primordiale.
Questo buco nero supermassiccio si nutre della materia che lo circonda e fornisce un quasar luminoso così distante che il telescopio James Webb lo vede com’era meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. Il quasar, chiamato PJ308-21, si trova in un nucleo galattico attivo (AGN) in una galassia in procinto di fondersi con due massicce galassie satellite.
Non solo l’equipe ha determinato che il buco nero ha una massa equivalente a due miliardi di soli, ma ha anche scoperto che sia i quasar che le galassie coinvolte in questa fusione sono altamente evolute, una sorpresa dato che esistevano quando l’Universo 13,8 anni- il vecchio universo era solo un bambino.
La fusione di queste tre galassie probabilmente fornirà enormi quantità di gas e polvere al buco nero supermassiccio, facilitandone la crescita e permettendogli di continuare ad alimentare PJ308-21.
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“Il nostro studio rivela che entrambi i buchi neri si trovano in centri ad alto spostamento verso il rosso [early and distant] “I quasar e le galassie che li ospitano stanno attraversando una crescita molto efficiente e turbolenta già nel primo miliardo di anni di storia dell’universo, aiutata dal ricco ambiente galattico in cui queste fonti si formano”, afferma il leader del team Roberto DeCarli, ricercatore presso il Centro Nazionale Italiano Istituto di Astrofisica (INAF). Lo ha detto in un comunicato.
I dati sono stati raccolti nel settembre 2022 dallo strumento Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec) di JWST come parte del Programma 1554, che mira a monitorare la fusione tra la galassia che ospita PJ308-21 e due delle sue galassie lunari.
DeCarli ha aggiunto che il lavoro ha rappresentato un vero e proprio “viaggio emotivo” per il team, che ha sviluppato soluzioni innovative per superare le difficoltà iniziali nella riduzione dei dati e produrre immagini con meno dell’1% di incertezza per pixel.
I quasar nascono quando enormi quantità di gas e polvere circondano buchi neri supermassicci milioni o miliardi di volte la massa del Sole, che si trovano al centro delle galassie. Questo materiale forma una nuvola piatta chiamata disco di accrescimento che orbita attorno al buco nero e lo alimenta gradualmente.
Le enormi forze gravitazionali del buco nero generano potenti forze di marea in questo disco di accrescimento, aumentando la temperatura del gas e della polvere fino a 120.000 gradi Fahrenheit (67.000 gradi Celsius). Ciò fa sì che la luce proveniente dal disco di accrescimento venga emessa attraverso lo spettro elettromagnetico. Questa emissione è spesso più luminosa della luce combinata di ciascuna stella nella galassia circostante, rendendo i quasar come PJ308-21 alcuni degli oggetti più luminosi dell’universo.
Mentre i buchi neri non hanno proprietà che possano essere utilizzate per determinare la loro evoluzione, i loro dischi di accrescimento (e quindi i quasar) sì. In effetti, l’età delle galassie può essere “stimata” allo stesso modo.
L’universo primordiale era pieno di idrogeno, l’elemento più leggero e semplice, e una piccola quantità di elio. Ciò costituì la base per le prime stelle e galassie, ma durante la vita di questi corpi stellari forgiarono elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio, che gli astronomi chiamano “metalli”.
Quando queste stelle terminarono la loro vita in massicce esplosioni di supernova, questi metalli si diffusero nelle loro galassie e divennero gli elementi costitutivi della successiva generazione di stelle. Questo processo ha fatto sì che le stelle, e attraverso di esse le galassie, diventassero progressivamente “ricche di metalli”.
Il team ha scoperto che, come la maggior parte dei nuclei galattici attivi, il nucleo attivo di PJ308-21 è ricco di metalli e che il gas e la polvere che lo circondano subiscono un processo di “fotoionizzazione”. Questo è il processo mediante il quale le particelle di luce, chiamate fotoni, forniscono l’energia di cui gli elettroni hanno bisogno per sfuggire agli atomi, creando ioni caricati elettricamente.
Anche una delle galassie che si fonde con la galassia ospite PJ308-21 è ricca di metalli e la sua materia è parzialmente fotoionizzata dalla radiazione elettromagnetica proveniente dal quasar.
La fotoionizzazione avviene anche nella seconda galassia lunare, ma in questo caso è causata da un periodo di rapida formazione stellare. Anche questa seconda galassia differisce dalla prima galassia e dalla galassia attiva, in quanto appare povera di metalli.
“Grazie a NIRSpec, possiamo per la prima volta studiare il dominio ottico, che è ricco di preziosi dati diagnostici sulle proprietà del gas vicino al buco nero nella galassia che ospita il quasar e nelle galassie circostanti”, ha affermato un membro del team e astrofisico dell’Università di Los Angeles. dell’Istituto Nazionale di Astrofisica Federica Loiacono. “Possiamo vedere, ad esempio, l’emissione di atomi di idrogeno e confrontarla con l’emissione di elementi chimici prodotti dalle stelle per determinare quanto è ricco di metalli il gas”.
Sebbene la luce proveniente da questo quasar risalente all’inizio dell’universo incontri un’ampia gamma dello spettro elettromagnetico, compresa la luce ottica e i raggi X, l’unico modo per osservarla è nell’infrarosso.
Questo perché la luce, che ha viaggiato per più di 12 miliardi di anni per raggiungere il telescopio James Webb, ha avuto le sue lunghezze d’onda “allungate” in modo drammatico. Questo “sposta” la luce verso “l’estremità rossa” dello spettro elettromagnetico, un fenomeno che gli astronomi chiamano “redshift” e simboleggiato dalla lettera “z”.
Il telescopio James Webb ha un’eccezionale capacità di vedere oggetti ed eventi con “alto redshift” o “alto redshift” come PJ308-21 grazie alla sua sensibilità alla luce infrarossa.
Loiacono ha concluso dicendo: “Grazie alla sensibilità del telescopio James Webb nel vicino e medio infrarosso, è diventato possibile studiare lo spettro dei quasar e delle galassie compagne con una precisione senza precedenti nell’universo lontano. Queste osservazioni possono solo essere garantite dall’eccellente “visione” fornita dal James Webb Telescope”.
La ricerca del team è stata accettata per la pubblicazione nel giugno 2024 sulla rivista Astronomia e astrofisica.
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