Quando l'universo era giovane, un buco nero supermassiccio, gonfio fino al punto di scoppiare con un potere stupendo, emise un getto di energia infusa di particelle che corse attraverso la vastità dello spazio quasi alla velocità della luce.

Miliardi di anni dopo, un trio di scienziati della Clemson University, guidato dall'astrofisico del College of Science Marco Ajello, ha identificato questo buco nero e altri quattro simili ad esso che hanno un'età compresa tra 1,4 miliardi e 1,9 miliardi di anni. Questi oggetti emettono numerosi raggi gamma, luce della più alta energia, che sono miliardi di volte più energetici della luce visibile all'occhio umano.

I primi blazar di raggi gamma precedentemente conosciuti, un tipo di galassia la cui intensa emissione è alimentata da getti relativistici estremamente potenti lanciati da mostruosi buchi neri, avevano più di 2 miliardi di anni. Attualmente, si stima che l'universo abbia circa 14 miliardi di anni.

"La scoperta di questi buchi neri supermassicci, che lanciano getti che emettono più energia in un secondo di quanta ne produrrà il nostro sole in tutta la sua vita, è stato il culmine di un progetto di ricerca durato un anno, " disse Ajello, che ha trascorso gran parte della sua carriera a studiare l'evoluzione delle galassie lontane. "Il nostro prossimo passo è aumentare la nostra comprensione dei meccanismi coinvolti nella formazione, sviluppo e attività di questi straordinari oggetti, che sono gli acceleratori più potenti dell'universo. Non possiamo nemmeno avvicinarci a replicare produzioni così massicce di energia nei nostri laboratori. Le complessità che stiamo tentando di svelare sembrano misteriose quasi quanto i buchi neri stessi".

Ajello ha condotto la sua ricerca in collaborazione con il post-doc Clemson Vaidehi Paliya e la candidata al dottorato Lea Marcotulli. Il trio ha lavorato a stretto contatto con la collaborazione Fermi-Large Area Telescope, che è un team internazionale di scienziati che include Roopesh Ojha, un astronomo del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland; e Dario Gasparrini dell'Agenzia Spaziale Italiana. Il loro articolo scientifico intitolato "Gamma-Ray Blazars Within the First 2 Billion Years" è stato pubblicato lunedì in una rivista chiamata Lettere per riviste astrofisiche . (Ackermann, M., et al. 2017, ApJL , 837, L5.)

Le scoperte del team di Clemson sono state rese possibili dal software recentemente potenziato sul telescopio a raggi gamma Fermi della NASA. Il software rinnovato ha notevolmente aumentato la sensibilità del telescopio orbitante a un livello che ha reso possibili queste ultime scoperte.

"La gente lo definisce il restauro più economico della storia, " disse Ajello. "Normalmente, per il telescopio spaziale Hubble, La NASA ha dovuto inviare qualcuno nello spazio per apportare fisicamente questo tipo di miglioramenti. Ma in questo caso, sono stati in grado di farlo in remoto da una posizione legata alla Terra. E di pari importanza, i miglioramenti erano retroattivi, il che significava che anche i dati dei precedenti sei anni sono stati interamente rielaborati. Questo ci ha aiutato a fornire le informazioni di cui avevamo bisogno per completare il primo passo della nostra ricerca e anche per andare avanti nel processo di apprendimento".

Utilizzando i dati di Fermi, Ajello e Paliya hanno iniziato con un catalogo di 1,4 milioni di quasar, che sono galassie che ospitano al loro centro buchi neri supermassicci attivi. Nel corso di un anno, hanno ristretto la loro ricerca a 1, 100 oggetti. Di questi, cinque sono stati infine determinati come blazar di raggi gamma scoperti di recente che erano i più lontani - e i più giovani - mai identificati.

"Dopo aver utilizzato i nostri filtri e altri dispositivi, siamo rimasti con circa 1, 100 fonti. E poi abbiamo fatto la diagnostica per tutti questi e siamo stati in grado di restringerli a 25-30 fonti, "Ha detto Paliya. "Ma dovevamo ancora confermare che ciò che avevamo rilevato era scientificamente autentico. Quindi abbiamo eseguito una serie di altre simulazioni e siamo stati in grado di derivare proprietà come la massa del buco nero e la potenza del getto. In definitiva, abbiamo confermato che queste cinque sorgenti erano garantite come blazar di raggi gamma, con il più lontano che ha circa 1,4 miliardi di anni dall'inizio dei tempi."

Marcotulli, che è entrato a far parte del gruppo di Ajello come dottorando nel 2016, ha studiato i meccanismi dei blazar utilizzando immagini e dati forniti da un altro telescopio orbitante della NASA, il Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR). All'inizio, Il ruolo di Marcotulli è stato quello di comprendere il meccanismo di emissione dei blazar di raggi gamma più vicini a noi. Ora sta rivolgendo la sua attenzione agli oggetti più distanti alla ricerca di ciò che li rende così potenti.

"Stiamo cercando di comprendere l'intero spettro della distribuzione dell'energia di questi oggetti utilizzando modelli fisici, " ha detto Marcotulli. "Attualmente siamo in grado di modellare ciò che sta accadendo in modo molto più accurato di quanto precedentemente concepito, e alla fine saremo in grado di capire meglio quali processi stanno avvenendo nei getti e quali particelle stanno irradiando tutta l'energia che vediamo. Sono elettroni? O protoni? Come interagiscono con i fotoni circostanti? Tutti questi parametri non sono completamente compresi in questo momento. Ma ogni giorno approfondiamo la nostra comprensione".

Tutte le galassie hanno buchi neri al centro, alcuni si nutrono attivamente della materia che li circonda, altri che giacciono relativamente dormienti. La nostra galassia ha al centro un buco nero di grandi dimensioni che è attualmente dormiente. Ajello ha affermato che solo uno su 10 buchi neri nell'universo di oggi è attivo. Ma quando l'universo era molto più giovane, era più vicino a un rapporto 50-50.

I buchi neri supermassicci al centro delle cinque galassie blazar scoperte di recente sono tra i più grandi tipi di buchi neri mai osservati, nell'ordine da centinaia di migliaia a miliardi di volte la massa del nostro sole. E i loro dischi di accrescimento che li accompagnano - vortici rotanti di materia che orbitano attorno ai buchi neri - emettono più di due trilioni di volte la produzione di energia del nostro sole.

Uno degli elementi più sorprendenti della ricerca di Ajello è la velocità con cui, secondo misure cosmiche, questi buchi neri di grandi dimensioni devono essere cresciuti in soli 1,4 miliardi di anni. In termini di nostra attuale conoscenza di come crescono i buchi neri, 1,4 miliardi di anni sono appena sufficienti perché un buco nero raggiunga la massa di quelli scoperti dal team di Ajello.

"Come si sono formati così rapidamente questi buchi neri incomprensibilmente enormi e carichi di energia?" disse Aiello. "È perché un buco nero ha mangiato molto tutto il tempo per molto tempo? O forse perché si è scontrato con altri buchi neri e si è fuso in uno solo? Ad essere onesti, non abbiamo osservazioni a sostegno di nessuno dei due argomenti. Ci sono meccanismi al lavoro che dobbiamo ancora svelare. Enigmi che dobbiamo ancora risolvere. Quando alla fine li risolviamo, impareremo cose incredibili su come è nato l'universo, come è cresciuto in quello che è diventato, e ciò che il lontano futuro potrebbe riservare mentre l'universo continua a progredire verso la vecchiaia."