Quasi tutte le galassie ospitano un mostro al centro, un buco nero supermassiccio da milioni a miliardi di volte più grande del Sole. Anche se c'è ancora molto da imparare su questi oggetti, molti scienziati ritengono che siano cruciali per la formazione e la struttura delle galassie. Cosa c'è di più, alcuni di questi buchi neri sono particolarmente attivi, montando stelle, polvere e gas in dischi di accrescimento incandescenti che emettono potenti radiazioni nel cosmo mentre consumano la materia intorno a loro. Questi quasar sono alcuni degli oggetti più distanti che gli astronomi possono vedere, e ora c'è un nuovo record per il più lontano mai osservato.

Un team di scienziati, guidato dall'ex borsista postdottorato dell'UC Santa Barbara Feige Wang e comprendente il professor Joe Hennawi e l'attuale postdoc Riccardo Nanni, ha annunciato la scoperta di J0313-1806, il quasar più lontano scoperto fino ad oggi. Visto come sarebbe apparso più di 13 miliardi di anni fa, questo quasar distante completamente formato è anche il primo ancora scoperto, fornendo agli astronomi informazioni sulla formazione di galassie massicce nell'universo primordiale. I risultati del team sono stati rilasciati alla riunione di gennaio 2021 dell'American Astronomical Society e pubblicati in Lettere per riviste astrofisiche .

I quasar sono gli oggetti più energetici dell'universo. Si verificano quando il gas nel disco di accrescimento surriscaldato attorno a un buco nero supermassiccio viene inesorabilmente attirato verso l'interno, disperdere energia attraverso lo spettro elettromagnetico. Questo rilascia enormi quantità di radiazioni elettromagnetiche, con gli esempi più massicci che superano facilmente intere galassie.

Quasar J0313-1806 si trova a 13 miliardi di anni luce di distanza, ed esisteva solo 690 milioni di anni dopo il Big Bang. È alimentato dal primo buco nero supermassiccio conosciuto, quale, nonostante la sua formazione precoce, pesa ancora più di 1,6 miliardi di volte la massa del Sole. Infatti, J0313-1806 supera di un fattore 1 la moderna Via Lattea, 000.

"I quasar più distanti sono cruciali per capire come si sono formati i primi buchi neri e per comprendere la reionizzazione cosmica, l'ultima grande transizione di fase del nostro universo, " ha detto il co-autore Xiaohui Fan, professore di astronomia all'Università dell'Arizona.

La presenza di un buco nero così massiccio così presto nella storia dell'universo sfida le teorie sulla formazione del buco nero. Come autore principale Wang, ora un borsista della NASA Hubble presso l'Università dell'Arizona, spiega:"I buchi neri creati dalle primissime stelle massicce non avrebbero potuto crescere così grandi in poche centinaia di milioni di anni".

Il team ha rilevato per la prima volta J0313-1806 dopo aver esaminato i dati provenienti da rilevamenti digitali del cielo su un'ampia area. Fondamentale per la caratterizzazione del nuovo quasar è stato uno spettro di alta qualità ottenuto presso l'Osservatorio W. M. Keck:"Through University of California Observatories, abbiamo un accesso privilegiato ai telescopi Keck sulla vetta del Mauna Kea, che ci ha permesso di ottenere dati di alta qualità su questo oggetto poco dopo che è stato confermato essere un quasar in altri telescopi, "Ha detto Hennawi.

Oltre a pesare il mostro buco nero, le osservazioni dell'Osservatorio Keck hanno scoperto un deflusso eccezionalmente veloce proveniente dal quasar sotto forma di un vento ad alta velocità che viaggia al 20% della velocità della luce. "L'energia rilasciata da un deflusso così estremo ad alta velocità è abbastanza grande da avere un impatto sulla formazione stellare nell'intera galassia ospite del quasar, " disse Jinyi Yang, di Steward Observatory presso l'Università dell'Arizona.

La prima galassia che ospita il quasar sta subendo un'ondata di formazione stellare, producendo nuove stelle 200 volte più velocemente della moderna Via Lattea. Il sistema è il primo esempio conosciuto di un quasar che scolpisce la crescita della sua galassia ospite. La combinazione di questa intensa formazione stellare, il quasar luminoso e il deflusso ad alta velocità rendono J0313-1806 e la sua galassia ospite un promettente laboratorio naturale per comprendere la crescita dei buchi neri supermassicci e delle loro galassie ospiti nell'universo primordiale.

"Questo sarebbe un ottimo obiettivo per indagare sulla formazione dei primi buchi neri supermassicci, " ha concluso Wang. "Speriamo anche di saperne di più sull'effetto dei deflussi di quasar sulla loro galassia ospite, così come di sapere come si sono formate le galassie più massicce nell'universo primordiale".

Trovare questi quasar lontani richiede un lavoro incredibilmente scrupoloso, poiché sono come aghi in un pagliaio. Gli astronomi estraggono immagini digitali di miliardi di oggetti celesti per trovare candidati quasar promettenti. "L'attuale percentuale di successo per trovare questi oggetti è di circa l'1%. Devi baciare molte rane prima di trovare il tuo principe, ", ha osservato Hennawi.

Hennawi, Wang e Nanni stanno sviluppando strumenti di apprendimento automatico per analizzare questi big data e rendere più efficiente il processo di ricerca di quasar distanti. "Nei prossimi anni il satellite Euclid dell'Agenzia spaziale europea e il telescopio spaziale James Webb della NASA ci consentiranno di trovare forse un centinaio di quasar a questa distanza, o più lontano, " Ha detto Hennawi. "Con un ampio campione statistico di questi oggetti saremo in grado di costruire una precisa linea temporale dell'epoca della reionizzazione e di far luce su come si sono formati questi enormi buchi neri".