L'illustrazione di questo artista ritrae due galassie che esistevano nel primo miliardo di anni dell'universo. La galassia più grande a sinistra ospita un brillante quasar al suo centro, il cui bagliore è alimentato dalla materia calda che circonda un buco nero supermassiccio. Gli scienziati calcolano che la risoluzione e la sensibilità agli infrarossi del prossimo telescopio spaziale James Webb della NASA gli consentiranno di rilevare una galassia ospite polverosa come questa nonostante il raggio del proiettore del quasar. Crediti:J. Olmsted (STScI)
I quasar sono gli oggetti più luminosi dell'universo e tra i più energetici. Superano intere galassie di miliardi di stelle. Un buco nero supermassiccio si trova nel cuore di ogni quasar, ma non tutti i buchi neri sono quasar. Solo i buchi neri che si nutrono più voracemente possono alimentare un quasar. Il materiale che cade nel buco nero supermassiccio si riscalda, e fa brillare ferocemente un quasar attraverso l'universo come un faro.
Sebbene sia noto che i quasar risiedono al centro delle galassie, è stato difficile dire come sono queste galassie e come si confrontano con le galassie senza quasar. La sfida è che il bagliore del quasar rende difficile o impossibile catturare la luce della galassia ospite circostante. È come guardare direttamente nel faro di un'auto e cercare di capire a quale tipo di automobile è collegato.
Un nuovo studio suggerisce che il James Webb Space Telescope della NASA, il lancio è previsto nel 2021, sarà in grado di rivelare le galassie ospiti di alcuni quasar lontani nonostante le loro piccole dimensioni e la polvere oscurante.
"Vogliamo sapere in che tipo di galassie vivono questi quasar. Questo può aiutarci a rispondere a domande come:come possono i buchi neri crescere così grandi così velocemente? C'è una relazione tra la massa della galassia e la massa del buco nero, come vediamo nell'universo vicino?" ha detto l'autore principale Madeline Marshall dell'Università di Melbourne in Australia, che ha condotto il suo lavoro all'interno del Centro di Eccellenza ARC in All Sky Astrophysics in 3 Dimensions.
Rispondere a queste domande è impegnativo per una serie di motivi. In particolare, più una galassia è lontana, più la sua luce è stata allungata a lunghezze d'onda maggiori dall'espansione dell'universo. Di conseguenza, la luce ultravioletta dal disco di accrescimento del buco nero o dalle giovani stelle della galassia viene spostata alle lunghezze d'onda infrarosse.
In un recente studio, gli astronomi hanno usato le capacità del vicino infrarosso del telescopio spaziale Hubble della NASA per studiare quasar conosciuti nella speranza di individuare il bagliore circostante delle loro galassie ospiti, senza rilevamenti significativi. Ciò suggerisce che la polvere all'interno delle galassie sta oscurando la luce delle loro stelle. I rivelatori a infrarossi di Webb saranno in grado di scrutare attraverso la polvere e scoprire le galassie nascoste.
"Hubble semplicemente non va abbastanza lontano nell'infrarosso per vedere le galassie ospiti. È qui che Webb eccellerà davvero, ", ha affermato Rogier Windhorst dell'Arizona State University di Tempe, un coautore dello studio Hubble.
Per determinare cosa dovrebbe vedere Webb, il team ha utilizzato una simulazione al computer all'avanguardia chiamata BlueTides, sviluppato da un team guidato da Tiziana Di Matteo alla Carnegie Mellon University di Pittsburgh, Pennsylvania.
"BlueTides è progettato per studiare la formazione e l'evoluzione di galassie e quasar nel primo miliardo di anni della storia dell'universo. Il suo grande volume cosmico e l'elevata risoluzione spaziale ci consentono di studiare questi rari ospiti di quasar su base statistica, " ha detto Yueying Ni della Carnegie Mellon University, che ha eseguito la simulazione BlueTides. BlueTides fornisce un buon accordo con le osservazioni attuali e consente agli astronomi di prevedere cosa dovrebbe vedere Webb.
Il team ha scoperto che le galassie che ospitano i quasar tendevano ad essere più piccole della media, copre solo circa 1/30 del diametro della Via Lattea nonostante contenga quasi la stessa massa della nostra galassia. "Le galassie ospiti sono sorprendentemente piccole rispetto alla galassia media in quel momento, ", ha detto Marshall.
Anche le galassie nella simulazione tendevano a formare stelle rapidamente, fino a 600 volte più veloce dell'attuale tasso di formazione stellare nella Via Lattea. "Abbiamo scoperto che questi sistemi crescono molto velocemente. Sono come bambini precoci:fanno tutto presto, " ha spiegato il co-autore Di Matteo.
Il team ha quindi utilizzato queste simulazioni per determinare cosa vedrebbero le telecamere di Webb se l'osservatorio avesse studiato questi sistemi distanti. Hanno scoperto che sarebbe possibile distinguere la galassia ospite dal quasar, anche se ancora impegnativo a causa delle ridotte dimensioni della galassia nel cielo.
"Webb offrirà l'opportunità di osservare per la prima volta queste galassie ospiti molto distanti, ", ha detto Marshall.
Hanno anche considerato ciò che gli spettrografi di Webb potevano ricavare da questi sistemi. studi spettrali, che suddividono la luce in entrata nei suoi colori o lunghezze d'onda componenti, sarebbe in grado di rivelare la composizione chimica della polvere in questi sistemi. Imparare quanti elementi pesanti contengono potrebbe aiutare gli astronomi a capire le loro storie di formazione stellare, poiché la maggior parte degli elementi chimici sono prodotti nelle stelle.
Webb potrebbe anche determinare se le galassie ospiti sono isolate o meno. Lo studio Hubble ha scoperto che la maggior parte dei quasar aveva galassie compagne rilevabili, ma non è stato possibile determinare se quelle galassie fossero effettivamente vicine o se fossero sovrapposizioni casuali. Le capacità spettrali di Webb consentiranno agli astronomi di misurare i redshift, e quindi distanze, di quelle apparenti galassie compagne per determinare se si trovano alla stessa distanza del quasar.
In definitiva, Le osservazioni di Webb dovrebbero fornire nuove intuizioni su questi sistemi estremi. Gli astronomi faticano ancora a capire come un buco nero possa crescere fino a pesare un miliardo di volte il nostro Sole in appena un miliardo di anni. "Questi grandi buchi neri non dovrebbero esistere così presto perché non c'è stato abbastanza tempo per crescere così massicci, ", ha affermato il coautore Stuart Wyithe dell'Università di Melbourne.
I futuri studi sui quasar saranno inoltre alimentati dalle sinergie tra più prossimi osservatori. Indagini all'infrarosso con la missione Euclid dell'Agenzia Spaziale Europea, così come l'Osservatorio terrestre Vera C. Rubin, una struttura della National Science Foundation/Department of Energy attualmente in costruzione sul Cerro Pachón nel deserto di Atacama in Cile. Entrambi gli osservatori aumenteranno significativamente il numero di quasar distanti conosciuti. Questi nuovi quasar verranno quindi esaminati da Hubble e Webb per acquisire nuove conoscenze sugli anni di formazione dell'universo.
