Un team di astronomi, di cui due del MIT, ha rilevato il buco nero supermassiccio più distante mai osservato. Il buco nero si trova al centro di un quasar ultraluminoso, la cui luce è stata emessa appena 690 milioni di anni dopo il Big Bang. Quella luce ha impiegato circa 13 miliardi di anni per raggiungerci, un arco di tempo che è quasi uguale all'età dell'universo.

Si calcola che il buco nero sia circa 800 milioni di volte più massiccio del nostro sole:un Golia per gli standard moderni e una relativa anomalia nell'universo primordiale.

"Questo è l'unico oggetto che abbiamo osservato di quest'epoca, "dice Robert Simcoe, il Francis L. Friedman Professore di Fisica presso l'Istituto Kavli per l'Astrofisica e la Ricerca Spaziale del MIT. "Ha una massa estremamente elevata, eppure l'universo è così giovane che questa cosa non dovrebbe esistere. L'universo non era abbastanza vecchio per creare un buco nero così grande. È molto sconcertante".

Ad aumentare l'intrigo del buco nero c'è l'ambiente in cui si è formato:gli scienziati hanno dedotto che il buco nero ha preso forma proprio mentre l'universo stava subendo un cambiamento fondamentale, da un ambiente opaco dominato dall'idrogeno neutro a uno in cui le prime stelle hanno iniziato a lampeggiare. Man mano che si formavano più stelle e galassie, alla fine hanno generato abbastanza radiazioni per trasformare l'idrogeno da neutro, uno stato in cui gli elettroni dell'idrogeno sono legati al loro nucleo, a ionizzato, in cui gli elettroni sono liberi di ricombinarsi casualmente. Questo passaggio dall'idrogeno neutro all'idrogeno ionizzato ha rappresentato un cambiamento fondamentale nell'universo che è durato fino ad oggi.

Il team ritiene che il buco nero appena scoperto esistesse in un ambiente che era circa per metà neutro, mezzo ionizzato.

"Quello che abbiamo scoperto è che l'universo era circa 50/50:è un momento in cui le prime galassie sono emerse dai loro bozzoli di gas neutro e hanno iniziato a brillare per uscire, " dice Simcoe. "Questa è la misurazione più accurata di quel tempo, e una vera indicazione di quando si sono accese le prime stelle."

Simcoe e la postdoc Monica L. Turner sono i coautori del MIT di un articolo che descrive in dettaglio i risultati, pubblicato oggi sulla rivista Natura . Gli altri autori principali provengono dal Carnegie Institution for Science, a Pasadena, California.

Uno spostamento, ad alta velocità

Il buco nero è stato rilevato da Eduardo Bañados, un astronomo al Carnegie, che ha trovato l'oggetto mentre esaminava più rilevamenti di tutto il cielo, o mappe dell'universo lontano. Bañados stava cercando in particolare i quasar, alcuni degli oggetti più luminosi dell'universo, che consistono in un buco nero supermassiccio circondato da vortici, dischi di materia in accrescimento.

Dopo aver individuato diversi oggetti di interesse, Bañados si è concentrato su di loro utilizzando uno strumento noto come FIRE (il Folded-port InfraRed Echellette), che è stato costruito da Simcoe e opera con i telescopi Magellan di 6,5 metri di diametro in Cile. FIRE è uno spettrometro che classifica gli oggetti in base ai loro spettri infrarossi. La luce da molto lontano, i primi oggetti cosmici si spostano verso lunghezze d'onda più rosse nel loro viaggio attraverso l'universo, mentre l'universo si espande. Gli astronomi si riferiscono a questo fenomeno simile al Doppler come "redshift"; più un oggetto è lontano, quanto più la sua luce si è spostata verso il rosso, o infrarosso all'estremità dello spettro. Più alto è il redshift di un oggetto, più è lontano, sia nello spazio che nel tempo.

Usando FUOCO, il team ha identificato uno degli oggetti di Bañados come un quasar con un redshift di 7,5, il che significa che l'oggetto emetteva luce circa 690 milioni di anni dopo il Big Bang. Sulla base del redshift del quasar, i ricercatori hanno calcolato la massa del buco nero al suo centro e hanno determinato che è circa 800 milioni di volte la massa del sole.

"Qualcosa sta facendo muovere il gas all'interno del quasar ad altissima velocità, e l'unico fenomeno che sappiamo che raggiunge tali velocità è l'orbita attorno a un buco nero supermassiccio, " dice Simco.

Quando si sono accese le prime stelle

Il quasar appena identificato sembra abitare in un momento cruciale nella storia dell'universo. Subito dopo il Big Bang, l'universo somigliava a una zuppa cosmica di caldo, particelle estremamente energetiche. Mentre l'universo si espandeva rapidamente, queste particelle si sono raffreddate e si sono fuse in idrogeno gassoso neutro durante un'era che a volte viene chiamata età buia, un periodo privo di qualsiasi fonte di luce. Infine, la gravità ha condensato la materia nelle prime stelle e galassie, che a sua volta produceva luce sotto forma di fotoni. Mentre più stelle si accendevano in tutto l'universo, i loro fotoni hanno reagito con l'idrogeno neutro, ionizzando il gas e dando il via a quella che è conosciuta come l'epoca della reionizzazione.

Simcoe, Banados, e i loro colleghi credono che il quasar appena scoperto sia esistito durante questa transizione fondamentale, proprio nel momento in cui l'universo stava subendo un drastico cambiamento nel suo elemento più abbondante.

I ricercatori hanno usato FIRE per determinare che una grande frazione dell'idrogeno che circonda il quasar è neutra. Hanno estrapolato da ciò per stimare che l'universo nel suo insieme era probabilmente circa metà neutro e metà ionizzato nel momento in cui osservarono il quasar. Da questa, hanno dedotto che le stelle devono aver iniziato ad accendersi durante questo periodo, 690 milioni di anni dopo il Big Bang.

"Questo aumenta la nostra comprensione del nostro universo in generale perché abbiamo identificato quel momento in cui l'universo è nel mezzo di questa rapidissima transizione da neutro a ionizzato, "Simcoe dice. "Ora abbiamo le misurazioni più accurate fino ad oggi di quando le prime stelle si stavano accendendo".

C'è un grande mistero che resta da risolvere:come si è formato un buco nero di proporzioni così massicce così presto nella storia dell'universo? Si pensa che i buchi neri crescano per accrescimento, o assorbendo massa dall'ambiente circostante. Buchi neri estremamente grandi, come quello individuato da Simcoe e dai suoi colleghi, dovrebbe formarsi in periodi molto più lunghi di 690 milioni di anni.

"Se inizi con un seme come una grande stella, e lasciarlo crescere alla massima velocità possibile, e iniziare al momento del Big Bang, non potresti mai fare qualcosa con 800 milioni di masse solari:non è realistico, "Dice Simcoe. "Quindi deve esserci un altro modo in cui si è formato. E come succede esattamente, nessuno sa."