Utilizzando il telescopio spaziale James Webb (JWST), gli astronomi hanno individuato un buco nero supermassiccio all'”alba cosmica” che sembra inverosimilmente massiccio. La confusione deriva dal fatto che non sembra che questo “mostro” si stesse nutrendo di molta materia circostante durante quel periodo, mentre per raggiungere le sue immense dimensioni, ci si aspetterebbe che fosse affamato all’inizio dei tempi. Il buco nero supermassiccio che alimenta un quasar nel cuore della galassia J1120+0641 è stato visto com’era quando l’Universo aveva solo circa il 5% della sua età attuale. Ha anche una massa che è oltre un miliardo di volte quella del Sole.
Sebbene sia relativamente facile spiegare come buchi neri supermassicci più vicini, e quindi più recenti, siano cresciuti fino ad avere miliardi di masse solari, si prevede che i processi di fusione e alimentazione che facilitano tale crescita richiedano qualcosa come un miliardo di anni. Ciò significa che trovare tali buchi neri supermassicci esistenti prima che l’Universo di 13,8 miliardi di anni avesse un miliardo di anni è un vero dilemma.
Da quando ha iniziato le operazioni nell’estate del 2022, il telescopio spaziale James Webb si è dimostrato particolarmente efficiente nell’individuare tali difficili buchi neri all’alba cosmica. Una teoria che circonda la crescita iniziale di questi vuoti è che fossero impegnati in una frenesia alimentare chiamata “modalità di alimentazione ultra-efficace”. Tuttavia, le osservazioni del JWST del buco nero supermassiccio in J1120+0641 non hanno mostrato alcun meccanismo di alimentazione particolarmente efficiente nella materia nelle sue immediate vicinanze. Questa scoperta mette in dubbio il meccanismo di crescita del buco nero supermassiccio e significa che gli scienziati potrebbero sapere ancora meno sull’evoluzione iniziale del cosmo di quanto pensassero.
“Nel complesso, le nuove osservazioni non fanno che aumentare il mistero: i primi quasar erano sorprendentemente normali“, ha affermato in una dichiarazione Sarah Bosman, leader del team e ricercatrice post-dottorato del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA). “Indipendentemente dalle lunghezze d’onda in cui li osserviamo, i quasar sono pressoché identici in tutte le epoche dell’Universo”.
I buchi neri supermassicci controllano la propria dieta
Negli ultimi 13,8 miliardi di anni di storia cosmica, le galassie sono cresciute in dimensioni acquisendo massa, assorbendo gas e polvere circostanti, cannibalizzando galassie più piccole o fondendosi con galassie più grandi. Circa 20 anni fa, prima che il telescopio spaziale James Webb e altri telescopi iniziassero a trovare inquietanti buchi neri supermassicci nell’Universo primordiale, gli astronomi avevano ipotizzato che i buchi neri supermassicci nel cuore delle galassie crescessero gradualmente di pari passo con i processi che portavano alla crescita galattica. In effetti, ci sono dei limiti alla velocità con cui un buco nero può crescere, limiti che questi titani cosmici in realtà aiutano a stabilire da soli.
A causa della conservazione del momento angolare, la materia non può cadere direttamente in un buco nero. Invece, una nube appiattita di materia chiamata disco di accrescimento si forma attorno al buco nero. Inoltre, l’immensa gravità del buco nero centrale dà origine a potenti forze mareali che creano condizioni turbolente nel disco di accrescimento, riscaldandolo e facendogli emettere luce attraverso lo spettro elettromagnetico. Queste emissioni sono così luminose che spesso eclissano la luce combinata di ogni stella nella galassia circostante. Le regioni in cui tutto ciò accade sono chiamate quasar e rappresentano alcuni degli oggetti celesti più luminosi.
Questa luminosità ha anche un’altra funzione. Nonostante non abbia massa, la luce esercita una pressione. Ciò significa che la luce emessa dai quasar spinge sulla materia circostante. Più velocemente il buco nero che alimenta il quasar si nutre, maggiore è la pressione di radiazione e più è probabile che il buco nero interrompa la propria alimentazione e smetta di crescere. Il punto in cui i buchi neri si lasciano morire di fame spingendo via la materia circostante è noto come “limite di Eddington“.
Ciò significa che i buchi neri supermassicci non possono semplicemente nutrirsi e crescere alla velocità che desiderano. Quindi, trovare buchi neri supermassicci con masse pari a 10 miliardi di Soli nel cosmo primordiale, in particolare meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang, è un vero problema.
Gli astronomi devono saperne di più sui primi quasar per determinare se i primi buchi neri supermassicci sono stati in grado di superare il limite di Eddington e diventare i cosiddetti “super-accrescitori di Eddington”. Per fare ciò, nel gennaio 2023, il team ha concentrato il Mid-Infrared Instrument (MIRI) di Webb sul quasar al centro di J1120+0641, situato a 13 miliardi di anni luce di distanza e visto com’era solo 770 milioni di anni dopo il Big Bang. L’indagine costituisce il primo studio nel medio infrarosso di un quasar che esisteva all’alba cosmica.
Lo spettro di luce di questo primo buco nero supermassiccio ha rivelato le proprietà del grande “toroide” a forma di anello di gas e polvere che circonda il disco di accrescimento. Questo toroide aiuta a guidare la materia verso il disco di accrescimento, da dove viene gradualmente alimentata al buco nero supermassiccio.
Le osservazioni del MIRI di questo quasar hanno mostrato che la “catena di approvvigionamento cosmica” funziona in modo simile a quella dei quasar “moderni” più vicini alla Terra che quindi esistono in epoche successive dell’Universo. Questa è una cattiva notizia per i sostenitori della teoria secondo cui un meccanismo di alimentazione migliorato ha portato alla rapida crescita dei primi buchi neri.
Inoltre, le misurazioni della regione attorno al buco nero supermassiccio, dove la materia turbina quasi alla velocità della luce, erano conformi alle osservazioni delle stesse regioni dei quasar moderni.
Le osservazioni del JWST di questo quasar hanno rivelato una differenza importante tra esso e le sue controparti moderne. La polvere nel toroide attorno al disco di accrescimento aveva una temperatura di circa 1.130°C, che è molto più alta degli anelli di polvere attorno ai quasar alimentati da buchi neri supermassicci visti più vicini alla Terra.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Astronomy, favorisce un altro metodo di crescita precoce dei buchi neri supermassicci che suggerisce che questi titani cosmici hanno avuto un vantaggio nell’Universo primordiale, formandosi da “semi” di buchi neri che erano già massicci. Questi semi pesanti avrebbero avuto masse almeno centomila volte superiori a quelle del Sole, formandosi direttamente tramite il collasso di nubi di gas massicce.
