Questa è un'immagine del telescopio spaziale Hubble di un quasar molto distante (a destra) che è stato illuminato e diviso in tre immagini dagli effetti del campo gravitazionale di una galassia in primo piano (a sinistra). Le croci segnano i centri di ogni immagine quasar. Il quasar non sarebbe stato rilevato se non fosse stato per il potere della lente gravitazionale, che ha aumentato la sua luminosità di un fattore 50. Il campo gravitazionale della galassia in primo piano (vista a sinistra) deforma lo spazio come uno specchio da luna park, amplificando la luce del quasar. Splendente con lo splendore di 600 trilioni di soli, il quasar è alimentato da un buco nero supermassiccio nel cuore di una giovane galassia in via di formazione. L'immagine mostra il quasar come appariva 12,8 miliardi di anni fa, solo circa 1 miliardo di anni dopo il big bang. Il quasar appare rosso perché la sua luce blu è stata assorbita dal gas diffuso nello spazio intergalattico. A confronto, la galassia in primo piano ha una luce stellare più blu. Il quasar, catalogato come J043947.08+163415.7 (J0439+1634 in breve), potrebbe detenere il record di essere il più brillante nell'universo primordiale per qualche tempo, rendendolo un oggetto unico per studi di follow-up. Credito:NASA, ESA, Xiaohui Fan (Università dell'Arizona)
Le osservazioni dell'Osservatorio Gemini identificano un'impronta digitale chiave di un quasar estremamente distante, permettendo agli astronomi di campionare la luce emessa dall'alba dei tempi. Gli astronomi si sono imbattuti in questo profondo sguardo nello spazio e nel tempo grazie a una galassia in primo piano insignificante che agisce come una lente gravitazionale, che ingrandiva l'antica luce del quasar. Le osservazioni Gemini forniscono pezzi critici del puzzle nel confermare questo oggetto come il quasar più luminoso apparso così presto nella storia dell'Universo, alimentando la speranza che si trovino più fonti come questa.
Prima che il cosmo raggiungesse il suo miliardesimo compleanno, alcune delle primissime luci cosmiche iniziarono un lungo viaggio attraverso l'Universo in espansione. Un particolare raggio di luce, da una fonte energetica chiamata quasar, casualmente passato vicino a una galassia interposta, la cui gravità ha piegato e ingrandito la luce del quasar e l'ha riorientata nella nostra direzione, consentendo a telescopi come Gemini North di sondare il quasar in grande dettaglio.
"Se non fosse per questo telescopio cosmico improvvisato, la luce del quasar sembrerebbe circa 50 volte più debole, ", ha affermato Xiaohui Fan dell'Università dell'Arizona, che ha guidato lo studio. "Questa scoperta dimostra che i quasar a lente gravitazionale esistono nonostante il fatto che li stiamo cercando da oltre 20 anni e non ne abbiamo trovati altri così indietro nel tempo".
Le osservazioni Gemini hanno fornito i pezzi chiave del puzzle riempiendo un buco critico nei dati. Il telescopio Gemini North su Maunakea, Hawaii, ha utilizzato il Gemini Near-InfraRed Spectrograph (GNIRS) per sezionare un'area significativa della parte infrarossa dello spettro della luce. I dati Gemini contenevano la firma rivelatrice del magnesio che è fondamentale per determinare quanto indietro nel tempo stiamo guardando. Le osservazioni Gemini hanno anche portato alla determinazione della massa del buco nero che alimenta il quasar. "Quando abbiamo combinato i dati Gemini con le osservazioni di più osservatori su Maunakea, il telescopio spaziale Hubble, e altri osservatori in tutto il mondo, siamo stati in grado di dipingere un quadro completo del quasar e della galassia interposta, ", ha affermato Feige Wang dell'Università della California, Santa Barbara, chi è un membro del team di scoperta.
Quell'immagine rivela che il quasar si trova molto indietro nel tempo e nello spazio, poco dopo quella che è conosciuta come l'Epoca della Reionizzazione, quando la primissima luce emerse dal Big Bang. "Questa è una delle prime fonti a brillare quando l'Universo è emerso dalle ere oscure cosmiche, " ha detto Jinyi Yang dell'Università dell'Arizona, un altro membro del team di scoperta. "Prima di questo, niente stelle, quasar, o si erano formate galassie, fino a quando oggetti come questo sono apparsi come candele nell'oscurità."
La galassia in primo piano che migliora la nostra visione del quasar è particolarmente fioca, il che è estremamente casuale. "Se questa galassia fosse molto più luminosa, non saremmo stati in grado di differenziarlo dal quasar, " ha spiegato Fan, aggiungendo che questa scoperta cambierà il modo in cui gli astronomi cercano i quasar lenti in futuro e potrebbe aumentare significativamente il numero di scoperte di quasar lenti. Però, come suggerito da Fan, "Non ci aspettiamo di trovare molti quasar più luminosi di questo nell'intero Universo osservabile".
L'intenso splendore del quasar, noto come J0439+1634 (J0439+1634 in breve), suggerisce anche che è alimentato da un buco nero supermassiccio nel cuore di una giovane galassia in formazione. L'aspetto ampio dell'impronta digitale di magnesio catturata da Gemini ha anche permesso agli astronomi di misurare la massa del buco nero supermassiccio del quasar a 700 milioni di volte quella del Sole. Il buco nero supermassiccio è molto probabilmente circondato da un considerevole disco appiattito di polvere e gas. Questo toroide di materia, noto come disco di accrescimento, molto probabilmente si snoda continuamente verso l'interno per alimentare la centrale elettrica del buco nero. Osservazioni a lunghezze d'onda submillimetriche con il James Clerk Maxwell Telescope su Maunakea suggeriscono che il buco nero non sta solo accumulando gas, ma potrebbe innescare la nascita di stelle a un ritmo prodigioso, che sembra essere fino a 10, 000 stelle all'anno; a confronto, la nostra Via Lattea produce una stella all'anno. Però, a causa dell'effetto di potenziamento della lente gravitazionale, il tasso effettivo di formazione stellare potrebbe essere molto più basso.
I quasar sono fonti estremamente energetiche alimentate da enormi buchi neri che si pensa risiedessero nelle primissime galassie a formarsi nell'Universo. A causa della loro luminosità e distanza, i quasar offrono uno sguardo unico sulle condizioni dell'Universo primordiale. Questo quasar ha un redshift di 6,51, che si traduce in una distanza di 12,8 miliardi di anni luce, e sembra brillare con una luce combinata di circa 600 trilioni di soli, potenziato dall'ingrandimento della lente gravitazionale. La galassia in primo piano che ha piegato la luce del quasar è a circa metà di quella distanza, a soli 6 miliardi di anni luce da noi.
La luce del quasar J0439+1634, a circa 12,8 miliardi di anni luce di distanza, passa vicino a una debole galassia che dista circa sei miliardi di anni luce. La gravità di questa galassia in primo piano deforma lo spazio intorno ad essa, secondo la teoria della relatività generale di Einstein. Questo piega la luce come una lente ottica, ingrandisce l'immagine del quasar di un fattore cinquanta, mentre allo stesso tempo divideva in tre l'immagine del quasar. Sia la galassia in primo piano che il quasar a immagini multiple vengono catturati dall'immagine ad alta risoluzione del telescopio spaziale Hubble. Telescopi terrestri, compreso il MMT, Keck, Gemelli, LBT e JCMT, sono utilizzati per osservare questo oggetto in ottica, lunghezze d'onda infrarosse e submillimetriche per misurarne la distanza, e per caratterizzare il suo buco nero centrale e la galassia ospite. Credito:NASA, ESA, Xiaohui Fan (Università dell'Arizona)
Il team di Fan ha selezionato J0439+1634 come candidato quasar molto distante sulla base di dati ottici provenienti da diverse fonti:il Panoramic Survey Telescope e il Rapid Response System1 (Pan-STARRS1; gestito dall'Istituto di Astronomia dell'Università delle Hawaii), il Regno Unito Infra-Red Telescope Hemisphere Survey (condotto su Maunakea, Hawaii), e l'archivio del telescopio spaziale Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) della NASA.
Le prime osservazioni spettroscopiche di follow-up, condotto al Multi-Mirror Telescope in Arizona, confermato l'oggetto come un quasar ad alto redshift. Osservazioni successive con i telescopi Gemini North e Keck I alle Hawaii hanno confermato la scoperta della MMT, e ha portato al rilevamento da parte dei Gemelli dell'impronta digitale cruciale del magnesio, la chiave per inchiodare la fantastica distanza del quasar. Però, la galassia lente in primo piano e il quasar appaiono così vicini che è impossibile separarli con immagini prese dal suolo a causa della sfocatura dell'atmosfera terrestre. Ci sono volute le immagini squisitamente nitide del telescopio spaziale Hubble per rivelare che l'immagine del quasar è divisa in tre componenti da una debole galassia lente.
Il quasar è maturo per un esame futuro. Gli astronomi prevedono anche di utilizzare l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, e infine il telescopio spaziale James Webb della NASA, per guardare entro 150 anni luce dal buco nero e rilevare direttamente l'influenza della gravità dal buco nero sul movimento del gas e sulla formazione stellare nelle sue vicinanze. Qualsiasi futura scoperta di quasar molto distanti come J0439+1634 continuerà a insegnare agli astronomi l'ambiente chimico e la crescita di enormi buchi neri nel nostro Universo primordiale.
Lo studio è descritto in una presentazione al 233° meeting dell'American Astronomical Society a Seattle, Washington e pubblicato su The Lettere per riviste astrofisiche .
