Un gruppo di astronomi, compresi gli scienziati della Penn State, ha annunciato la probabile scoperta di un buco nero altamente oscurato esistente solo 850 milioni di anni dopo il Big Bang, utilizzando l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA. Questa è la prima prova di un buco nero nascosto così presto.

I buchi neri supermassicci crescono tipicamente attirando materiale da un disco di materia circostante. Per la crescita più rapida, questo processo genera quantità prodigiose di radiazioni in una piccolissima regione intorno al buco nero, e produce un colore estremamente luminoso, sorgente compatta chiamata quasar.

I calcoli teorici indicano che la maggior parte della crescita iniziale dei buchi neri si verifica mentre il buco nero e il disco sono circondati da una densa nuvola di gas che alimenta il materiale nel disco. Man mano che il buco nero cresce, il gas nella nuvola si esaurisce fino a quando il buco nero e il suo disco luminoso non vengono scoperti.

"È straordinariamente difficile trovare quasar in questa fase occultata perché gran parte della loro radiazione viene assorbita e non può essere rilevata dagli strumenti attuali, " ha detto Fabio Vito, CAS-CONICIYT Fellow presso la Pontificia Universidad Católica de Chile, che ha condotto lo studio, che ha iniziato come ricercatore post-dottorato alla Penn State. "Grazie a Chandra e alla capacità dei raggi X di perforare la nuvola oscura, pensiamo di esserci finalmente riusciti".

La scoperta è il risultato delle osservazioni di un quasar chiamato PSO 167-13, che è stato scoperto per la prima volta da Pan-STARRS, un telescopio ottico alle Hawaii. Le osservazioni ottiche di queste e altre indagini hanno portato alla rilevazione di circa 200 quasar che brillavano già quando l'universo aveva meno di un miliardo di anni, o circa l'8 per cento della sua età attuale. Queste indagini sono state considerate efficaci solo nel trovare buchi neri non oscurati, perché la radiazione che rilevano viene soppressa anche da nuvole sottili di gas e polvere circostanti. Pertanto ci si aspettava che PSO 167-13 non fosse oscurato.

Il team di Vito è stato in grado di testare questa idea effettuando osservazioni di Chandra del PSO 167-13 e di altri nove quasar scoperti con rilievi ottici. Dopo 16 ore di osservazione sono stati rilevati solo tre fotoni a raggi X da PSO 167-13, il tutto con energie relativamente elevate. I raggi X a bassa energia vengono assorbiti più facilmente di quelli a energia più elevata, quindi la probabile spiegazione per l'osservazione di Chandra è che il quasar è altamente oscurato dal gas, permettendo di rilevare solo i raggi X ad alta energia.

"Questa è stata una sorpresa completa, " ha detto il co-autore Niel Brandt, Verne M. Willaman Professore di Astronomia e Astrofisica e professore di fisica alla Penn State. "Era come se ci aspettassimo una falena ma invece abbiamo visto un bozzolo. Nessuno degli altri nove quasar che abbiamo osservato era nascosto, che è quello che ci aspettavamo."

Una svolta interessante per PSO 167-13 è che la galassia che ospita il quasar ha una galassia vicina compagna visibile nei dati precedentemente ottenuti con l'Atacama Large Millimeter Array (ALMA) di antenne radio in Cile e il telescopio spaziale Hubble della NASA. A causa della loro stretta separazione e della debolezza della sorgente di raggi X, il team non è stato in grado di determinare se l'emissione di raggi X appena scoperta è associata al quasar PSO 167-13 o alla galassia compagna.

Se i raggi X provengono dal noto quasar, quindi gli astronomi devono sviluppare una spiegazione del motivo per cui il quasar è apparso molto oscurato ai raggi X ma non alla luce ottica. Una possibilità è che ci sia stato un grande e rapido aumento dell'oscuramento del quasar durante i 3 anni tra quando sono state fatte le osservazioni ottiche e a raggi X.

D'altra parte, se invece i raggi X provengono dalla galassia compagna, quindi rappresenta il rilevamento di un nuovo quasar in prossimità di PSO 167-13. Questa coppia di quasar sarebbe la più lontana mai rilevata, battendo il record di 1,2 miliardi di anni dopo il Big Bang. In uno di questi due casi, il quasar rilevato da Chandra sarebbe il più distante mai visto. Il precedente detentore del record è stato osservato 1,3 miliardi di anni dopo il Big Bang. Gli autori intendono effettuare una caratterizzazione più raffinata della fonte con osservazioni di follow-up.

"Con un'osservazione più lunga di Chandra, saremo in grado di ottenere una stima migliore di quanto sia oscurato questo buco nero, " ha detto il co-autore Franz Bauer, anche dalla Pontificia Universidad Católica de Chile e un ex ricercatore post-dottorato della Penn State, "e fare un'identificazione sicura della sorgente di raggi X con il quasar noto o con la galassia compagna".

Gli autori hanno anche in programma di cercare altri esempi di buchi neri altamente oscurati.

"Sospettiamo che la maggior parte dei buchi neri supermassicci nell'universo primordiale siano occultati:è quindi fondamentale rilevarli e studiarli per capire come potrebbero crescere fino a masse di un miliardo di soli così rapidamente, " ha detto il co-autore Roberto Gilli dell'INAF di Bologna, Italia.

Un articolo che descrive questi risultati appare online l'8 agosto sulla rivista Astronomia e astrofisica . Il Marshall Space Flight Center della NASA gestisce il programma Chandra. Il Chandra X-ray Center dello Smithsonian Astrophysical Observatory controlla le operazioni scientifiche e di volo da Cambridge, MA. I dati utilizzati in questa ricerca sono stati raccolti utilizzando l'Advanced CCD Imaging Spectrometer su Chandra, uno strumento ideato e progettato da un team guidato da Penn State Evan Pugh Professor Emeritus di Astronomia e Astrofisica Gordon Garmire.

Oltre a Vito, Brandt, e Bauer, il team di ricerca comprende anche gli ex ricercatori post-dottorato della Penn State Ohad Shemmer, Cristian Vignali, e Bin Luo, che ha anche conseguito il dottorato alla Penn State.