Gli scienziati hanno usato le minuscole distorsioni impresse sullo sfondo delle microonde cosmiche dalla gravità della materia in tutto l'universo, registrato dal satellite Planck dell'ESA, per scoprire la connessione tra la luminosità dei quasar - i nuclei luminosi delle galassie attive - e la massa degli "aloni" molto più grandi di materia oscura in cui si trovano. Il risultato è un'importante conferma per la nostra comprensione di come le galassie si evolvono nella storia cosmica.

È noto che la maggior parte delle galassie dell'universo ospita buchi neri supermassicci, con masse da milioni a miliardi di volte la massa del Sole, ai loro nuclei. La maggior parte di questi mostri cosmici sono "dormienti", con poca o nessuna attività in corso vicino a loro, ma circa l'uno per cento è classificato come "attivo", accumulando materia dall'ambiente circostante a ritmi molto intensi. Questo processo di accrescimento fa sì che il materiale nelle vicinanze del buco nero brilli brillantemente attraverso lo spettro elettromagnetico, rendendo queste galassie attive, o quasar, alcune delle sorgenti più luminose del cosmo.

Sebbene non sia ancora chiaro cosa attivi questi buchi neri, accendendo e spegnendo la loro fase di intenso accrescimento, è probabile che i quasar svolgano un ruolo importante nella regolazione dell'evoluzione delle galassie nella storia cosmica. Per questa ragione, è fondamentale capire la relazione tra quasar, le loro galassie ospiti, e il loro ambiente su scale ancora più grandi.

In un recente studio condotto da James Geach dell'Università dell'Hertfordshire, UK, gli scienziati hanno combinato i dati della missione Planck dell'ESA con la più grande indagine sui quasar disponibile fino ad oggi per far luce su questo affascinante argomento.

Secondo lo scenario principale della formazione di strutture nell'universo, le galassie prendono forma dalla materia ordinaria nei nodi più densi della rete cosmica:una rete filamentosa, costituito principalmente dalla materia oscura invisibile, che pervade il cosmo. A sua volta, la complessa distribuzione sia della materia ordinaria che di quella oscura ha origine da minuscole fluttuazioni nell'universo primordiale, che lasciano un'impronta nel fondo cosmico a microonde (CMB), la luce più antica della storia dell'universo.

Il satellite Planck ha scansionato il cielo tra il 2009 e il 2013 per creare la mappa di tutto il cielo più precisa della CMB, consentendo agli scienziati di affinare la nostra conoscenza dell'età, espansione, storia, e contenuti dell'universo a livelli di accuratezza senza precedenti.

E c'è di più:come previsto dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein, oggetti massicci piegano il tessuto dello spaziotempo intorno a loro, distorcendo il percorso di tutto – anche la luce – che passa vicino. Questo fenomeno, noto come lente gravitazionale, influenza anche le misurazioni di Planck del CMB, che portano un'impronta della distribuzione su larga scala della materia che la più antica luce cosmica ha incontrato lungo il suo percorso verso il satellite.

"Sappiamo che le galassie si formano ed evolvono all'interno di un'"impalcatura" invisibile di materia oscura che non possiamo osservare direttamente, ma possiamo sfruttare le distorsioni della lente gravitazionale impresse sullo sfondo delle microonde cosmiche per conoscere le strutture della materia oscura intorno alle galassie, "dice James Geach.

Le distorsioni della lente gravitazionale del CMB sono piccole, riorganizzando l'immagine del cielo della CMB su scale di circa 10 minuti d'arco, equivalenti a solo un terzo del diametro della Luna piena. Ma molte piccole deviazioni dal cielo possono essere combinate, con l'ausilio di metodi statistici, per ottenere un segnale più forte, accumulando i dati raccolti intorno a molti quasar.

Nella loro ricerca, Geach e colleghi hanno analizzato l'ultima mappa di lenti gravitazionali ottenuta dal team di Planck, reso pubblico come parte della Planck Legacy Release nel 2018, in combinazione con 200.000 quasar estratti dal più grande campione mai compilato, gli oltre mezzo milione di quasar che compongono la Data Release 14 del catalogo dei quasar Sloan Digital Sky Survey.

"Combinando i dati di Planck con un campione così ampio di quasar, potremmo misurare la massa degli aloni di materia oscura in cui sono incastonate le galassie ospiti del quasar, e indagare come questo varia per quasar di diversa luminosità, "dice Geach.

L'analisi suggerisce che quanto più luminoso è un quasar, più massiccio è il suo alone di materia oscura.

"Questa è una prova convincente che esiste una correlazione tra la luminosità di un quasar, l'energia che viene rilasciata nelle immediate vicinanze di un buco nero supermassiccio - una regione che abbraccia forse pochi giorni luce - e la massa dell'alone avvolgente di materia oscura e dell'ambiente circostante, che si estende per decine di milioni di anni luce intorno al quasar, "Spiega Geach.

"Stiamo usando lo sfondo delle microonde cosmiche come una sorta di 'retroilluminazione' per l'universo. Quella retroilluminazione è stata gravitazionalmente riflessa dalla materia in primo piano, e quindi correlando le galassie con la mappa del lensing di Planck, abbiamo un nuovo modo di studiare le galassie e la loro evoluzione".

La scoperta supporta modelli teorici di formazione dei quasar, che predicono una correlazione tra la luminosità del quasar e la massa dell'alone, in particolare per i quasar più luminosi, dove i buchi neri stanno accumulando materia a una velocità prossima al massimo.

Lo studio si è concentrato su quasar distanti che si osservano com'erano quando l'universo aveva circa quattro miliardi di anni, circa un terzo della sua età attuale di quasi 14 miliardi di anni. Questo è vicino al picco dell'era della crescita dei buchi neri supermassicci. In combinazione con indagini quasar più approfondite in futuro, i dati di Planck potrebbero consentire agli scienziati di spingere queste indagini a tempi ancora precedenti nella storia cosmica, fino all'epoca in cui si formarono i primi quasar.

"Questo risultato mostra la potenza delle misurazioni della lente gravitazionale di Planck, che ci permettono di misurare le strutture invisibili della materia oscura in cui si formano ed evolvono le galassie, "dice Jan Tauber, Scienziato del progetto Planck all'ESA.

"L'eredità di Planck è piuttosto sorprendente, con dati che vengono utilizzati per una gamma molto più ampia di applicazioni scientifiche rispetto a quelle originariamente concepite".

"La massa dell'alone di quasar otticamente-luminose a z~1–2 misurata tramite deflessione gravitazionale del fondo cosmico a microonde" di J. E. Geach et al. è pubblicato in Il Giornale Astrofisico , Volume 874, Numero 1.