Gli astronomi hanno scoperto il quasar più massiccio conosciuto nell'universo primordiale, contenente un mostro buco nero con una massa equivalente a 1,5 miliardi di soli. Formalmente designato come J1007+2115, il quasar appena scoperto è uno degli unici due conosciuti dello stesso periodo cosmologico. I quasar sono gli oggetti più energetici dell'universo, e dalla loro scoperta, gli astronomi sono stati ansiosi di determinare quando sono apparsi per la prima volta nella nostra storia cosmica.

In onore della sua scoperta tramite telescopi su Maunakea, una montagna venerata nella cultura hawaiana, al quasar fu dato il nome hawaiano Pōniuā'ena, che significa "fonte rotante invisibile della creazione, circondato da splendore." È il primo quasar a ricevere un nome indigeno, che è stato creato da 30 insegnanti della scuola di immersione hawaiana durante un workshop guidato dal gruppo A Hua He Inoa, un programma di denominazione hawaiano guidato dal 'Imiloa Astronomy Center of Hawai'i.

Secondo la teoria attuale, i quasar sono alimentati da buchi neri supermassicci. Mentre i buchi neri divorano la materia circostante come la polvere, gas o anche stelle intere, emettono enormi quantità di energia, con conseguente luminosità nota per eclissare intere galassie.

Il buco nero supermassiccio che alimenta Pōniuā'ena rende questo quasar il più distante, e quindi prima, oggetto noto nell'universo per ospitare un buco nero superiore a 1 miliardo di masse solari. Secondo un nuovo studio che documenta la scoperta del quasar, la luce di Pōniuā'ena ha impiegato 13,02 miliardi di anni per raggiungere la Terra, iniziando il suo viaggio appena 700 milioni di anni dopo il Big Bang.

"È il primo mostro di questo tipo che conosciamo, " disse Jinyi Yang, un ricercatore associato post-dottorato presso l'Osservatorio Steward dell'Università dell'Arizona e autore principale dello studio, che sarà pubblicato su The Lettere per riviste astrofisiche . "Il tempo era troppo breve per crescere da un piccolo buco nero alle enormi dimensioni che vediamo".

La domanda su come un buco nero così massiccio possa materializzarsi quando l'universo era ancora nella sua infanzia ha assillato a lungo astronomi e cosmologi, ha detto il co-autore Xiaohui Fan, Regents' Professor e capo associato del Dipartimento di Astronomia dell'UArizona.

"Questa scoperta rappresenta la più grande sfida per la teoria della formazione e della crescita dei buchi neri nell'universo primordiale, " ha detto Fan.

L'idea che un buco nero di proporzioni Pōniuā'enas possa essersi evoluto da un buco nero molto più piccolo formato dal collasso di una singola stella in così poco tempo dal Big Bang è quasi impossibile, secondo gli attuali modelli cosmologici.

Anziché, gli autori dello studio suggeriscono che il quasar avrebbe dovuto iniziare come un buco nero "seme" contenente già la massa equivalente di 10, 000 soli già 100 milioni di anni dopo il Big Bang.

Uno sguardo indietro a un universo giovane

Pōniuāʻena è stato scoperto attraverso una ricerca sistematica dei quasar più distanti. È iniziato con il team di ricerca che ha analizzato indagini su un'ampia area come l'indagine di imaging DECaLS, che utilizza la Dark Energy Camera sul telescopio da 4 metri Víctor M. Blanco situato presso l'Osservatorio interamericano di Cerro Tololo in Cile, e l'indagine di imaging UHS, che utilizza la Wide Field Camera del telescopio a infrarossi del Regno Unito, situato a Maunakea.

Il team ha scoperto un possibile quasar nei dati e, nel 2019, lo osservò con telescopi tra cui il telescopio Gemini North e l'Osservatorio W. M. Keck, entrambi su Maunakea. Il telescopio Magellano dell'Osservatorio di Las Campanas in Cile ha confermato l'esistenza di Pōniuāʻena.

"Le osservazioni con i Gemelli sono state fondamentali per ottenere gli spettri del vicino infrarosso di alta qualità che ci hanno fornito la misurazione della massa stupefacente del buco nero, " ha detto il co-autore Feige Wang, un Hubble Fellow della NASA allo Steward Observatory.

La scoperta di un quasar degli albori del cosmo offre ai ricercatori uno sguardo raro in un'epoca in cui l'universo era ancora giovane e molto diverso da quello che vediamo oggi, hanno detto i ricercatori.

La teoria attuale suggerisce che all'inizio dell'universo, dopo il Big Bang, gli atomi erano troppo distanti tra loro per interagire e formare stelle e galassie. La nascita delle stelle e delle galassie come le conosciamo avvenne durante l'Epoca della Reionizzazione, circa 400 milioni di anni dopo il Big Bang.

"All'indomani del Big Bang, l'universo era molto freddo, perché non c'erano ancora le stelle; senza luce, " ha detto Fan. "Ci sono voluti dai 300 ai 400 milioni di anni prima che apparissero le prime stelle e galassie, e hanno cominciato a riscaldare l'universo."

Sotto l'influenza del riscaldamento, Le molecole di idrogeno sono state private degli elettroni in un processo noto come ionizzazione. Questo processo è durato solo poche centinaia di milioni di anni, un battito di ciglia nella vita dell'universo, ed è oggetto di ricerche in corso.

La scoperta di quasar come Pōniuā'ena, nel profondo dell'epoca della reionizzazione, è un grande passo avanti verso la comprensione del processo di reionizzazione e della formazione dei primi buchi neri supermassicci e delle galassie massicce. Pōniuāʻena ha posto nuovi e importanti vincoli all'evoluzione della materia tra galassie, noto come mezzo intergalattico, durante l'epoca della reionizzazione.

"Questo quasar sembra essere stato rilevato proprio a metà di quel periodo, "Fan ha detto, "e il fatto che possiamo osservare questi oggetti ci aiuta a perfezionare ciò che è successo in quel periodo".

Nel 2018, il team di ricerca ha annunciato la scoperta del quasar più distante trovato fino ad oggi. Designato come J1342+0928, quell'oggetto è di 2 milioni di anni più vecchio di Pōniuā'ena, una differenza piuttosto insignificante per gli standard cosmici, secondo Fan, che è stato coinvolto in entrambe le scoperte, che sono stati realizzati utilizzando l'Osservatorio internazionale Gemini e l'Osservatorio interamericano Cerro Tololo, entrambi programmi del National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory della National Science Foundation.

"La differenza di 2 milioni di anni luce su 13 miliardi lo rende abbastanza vicino a un pareggio, " ha detto Fan.