Un team di astronomi guidato dall'Università dell'Arizona ha osservato un quasar luminoso a 13,03 miliardi di anni luce dalla Terra, il quasar più distante scoperto fino ad oggi. Risalente a 670 milioni di anni dopo il Big Bang, quando l'universo aveva solo il 5% della sua età attuale, il quasar ospita un buco nero supermassiccio equivalente alla massa combinata di 1,6 miliardi di soli.

Oltre ad essere il più distante, e per estensione, primo-quasar conosciuto, l'oggetto è il primo del suo genere a mostrare la prova di un vento in uscita di gas surriscaldato che fuoriesce dai dintorni del buco nero a un quinto della velocità della luce. Oltre a rivelare un forte vento guidato da quasar, le nuove osservazioni mostrano anche un'intensa attività di formazione stellare nella galassia ospite dove il quasar, designato formalmente J0313-1806, si trova.

I ricercatori presenteranno i loro risultati, che sono stati accettati per la pubblicazione in Lettere per riviste astrofisiche , durante una conferenza stampa e un discorso scientifico al 237° Meeting dell'American Astronomical Society, che si terrà virtualmente dall'11 al 15 gennaio.

Il precedente detentore del record tra i quasar nell'universo infantile è stato scoperto tre anni fa. Anche il team di UArizona ha contribuito a questa scoperta. Si pensa che i quasar derivino da buchi neri supermassicci che divorano la materia circostante, come il gas o anche intere stelle, risultando in un vortice di materia surriscaldata noto come disco di accrescimento che vortica intorno al buco nero. A causa delle enormi energie coinvolte, i quasar sono tra le sorgenti più luminose del cosmo, spesso eclissando le galassie che le ospitano.

Sebbene J0313-1806 sia solo 20 milioni di anni luce più lontano del precedente detentore del record, il nuovo quasar contiene un buco nero supermassiccio due volte più pesante. Questo segna un progresso significativo per la cosmologia, in quanto fornisce il vincolo più forte mai visto sulla formazione di buchi neri nell'universo primordiale.

"Questa è la prima prova di come un buco nero supermassiccio stia influenzando la sua galassia ospite che lo circonda, " ha detto l'autore principale del giornale Feige Wang, un Hubble Fellow presso lo Steward Observatory dell'UArizona. "Dalle osservazioni di galassie meno distanti, sappiamo che questo deve accadere, ma non l'abbiamo mai visto accadere così presto nell'universo".

Quasar che hanno già accumulato milioni, se non miliardi, di masse solari nei loro buchi neri in un momento in cui l'universo era molto giovane rappresentano una sfida per gli scienziati che cercano di spiegare come sono nate quando hanno appena avuto il tempo di farlo. Una spiegazione comunemente accettata della formazione di un buco nero implica che una stella esploda come una supernova alla fine della sua vita e collassi in un buco nero. Quando tali buchi neri si fondono nel tempo, possono, in teoria, trasformarsi in buchi neri supermassicci. Però, proprio come ci vorrebbero molte vite per costruire un fondo pensione versando un dollaro ogni anno, i quasar nell'universo primordiale sono un po' come i milionari infantili; devono aver acquisito la loro massa con altri mezzi.

Il quasar appena scoperto fornisce un nuovo punto di riferimento escludendo due modelli attuali di come si formano i buchi neri supermassicci in tempi così brevi. Nel primo modello, stelle massicce che consistono in gran parte di idrogeno e mancano della maggior parte degli altri elementi che compongono le stelle successive, compresi i metalli, formano la prima generazione di stelle in una giovane galassia e forniscono il cibo per il nascente buco nero. Il secondo modello coinvolge ammassi stellari densi, che collassano in un enorme buco nero fin dall'inizio.

Quasar J0313-1806, però, vanta un buco nero troppo massiccio per essere spiegato dagli scenari sopracitati, secondo il team che l'ha scoperto. Il team ha calcolato che se il buco nero al suo centro si fosse formato già 100 milioni di anni dopo il Big Bang e fosse cresciuto il più velocemente possibile, avrebbe comunque dovuto averne almeno 10, 000 masse solari per cominciare.

"Questo ti dice che non importa quello che fai, il seme di questo buco nero deve essersi formato con un meccanismo diverso, " ha detto il co-autore Xiaohui Fan, Regents Professor e capo associato del Dipartimento di Astronomia dell'UArizona. "In questo caso, uno che coinvolge grandi quantità di primordiale, gas idrogeno freddo che collassa direttamente in un buco nero seme".

Poiché questo meccanismo non richiede stelle a tutti gli effetti come materia prima, è l'unico che consentirebbe al buco nero supermassiccio del quasar J0313-1806 di crescere fino a 1,6 miliardi di masse solari in un momento così precoce nell'universo. Questo è ciò che rende il nuovo quasar record così prezioso, Il tifoso ha spiegato.

"Una volta che vai a redshift inferiori, tutti i modelli potrebbero spiegare l'esistenza di quei quasar meno distanti e meno massicci, " ha detto. "Affinché il buco nero sia cresciuto fino alle dimensioni che vediamo con J0313-1806, avrebbe dovuto iniziare con un buco nero seme di almeno 10, 000 masse solari, e questo sarebbe possibile solo nello scenario del collasso diretto".

Il quasar appena scoperto sembra offrire uno sguardo raro sulla vita di una galassia agli albori dell'universo, quando molti dei processi di formazione delle galassie che da allora sono rallentati o sono cessati nelle galassie che esistono da molto più tempo erano ancora in pieno svolgimento .

Secondo gli attuali modelli di evoluzione delle galassie, I buchi neri supermassicci che crescono al loro centro potrebbero essere la ragione principale per cui le galassie alla fine smettono di creare nuove stelle. Agendo come una fiamma ossidrica di proporzioni cosmiche, i quasar fanno esplodere ferocemente ciò che li circonda, spazzare efficacemente la loro galassia ospite ripulita da gran parte del gas freddo che funge da materia prima da cui si formano le stelle.

"Pensiamo che quei buchi neri supermassicci siano stati la ragione per cui molte delle grandi galassie hanno smesso di formare stelle ad un certo punto, " ha detto Fan. "Osserviamo questo 'estinguente' a redshift inferiori, ma fino ad ora, non sapevamo quanto presto questo processo sia iniziato nella storia dell'universo. Questo quasar è la prima prova che l'estinzione potrebbe aver avuto luogo in tempi molto antichi".

Misurando la luminosità del quasar, Il team di Wang ha calcolato che il buco nero supermassiccio al suo centro ingerisce la massa equivalente di 25 soli ogni anno, in media, che si pensa sia la ragione principale per il suo vento di plasma caldo ad alta velocità che soffia nella galassia circostante a velocità relativistica. Per confronto, il buco nero al centro della Via Lattea è diventato per lo più dormiente.

E mentre la Via Lattea forma stelle al ritmo lento di circa una massa solare ogni anno, J0313-1806 produce 200 masse solari nello stesso periodo di tempo.

"Questo è un tasso di formazione stellare relativamente alto, simile a quello osservato in altri quasar di età simile, e ci dice che la galassia ospite sta crescendo molto velocemente, "Ha detto Wang.

"Presumibilmente questi quasar stanno ancora costruendo i loro buchi neri supermassicci", ha aggiunto Fan. "Col tempo, il deflusso del quasar riscalda e spinge tutto il gas fuori dalla galassia, e poi il buco nero non avrà più niente da mangiare e smetterà di crescere. Questa è la prova di come crescono queste prime galassie massicce e i loro quasar".

I ricercatori si aspettano di trovare qualche altro quasar dello stesso periodo di tempo, inclusi potenziali nuovi record, disse Jinyi Yang, il secondo autore della relazione, che è un Peter A. Strittmatter Fellow presso lo Steward Observatory. Yang e Fan stavano osservando al telescopio Magellan Baade di 6,5 metri all'Osservatorio di Las Campanas in Cile la notte in cui è stato scoperto J0313-1806.

"La nostra indagine quasar copre un campo molto ampio, permettendoci di scrutare quasi metà del cielo, "Ha detto Yang. "Abbiamo selezionato più candidati sui quali daremo seguito a osservazioni più dettagliate".

I ricercatori sperano di scoprire di più sui segreti del quasar con osservazioni future, soprattutto con il James Webb Space Telescope della NASA, attualmente previsto per il lancio nel 2021.

"Con i telescopi terrestri, possiamo vedere solo una sorgente puntiforme, "Ha detto Wang. "Le future osservazioni potrebbero rendere possibile risolvere il quasar in modo più dettagliato, mostra la struttura del suo deflusso e fino a che punto il vento si estende nella sua galassia, e questo ci darebbe un'idea molto migliore del suo stadio evolutivo."