La concezione di questo artista mostra la luce brillante di due quasar che risiedono nei nuclei di due galassie che sono nel caotico processo di fusione. Il braccio di ferro gravitazionale tra le due galassie le allunga, formando lunghe code di marea e accendendo una tempesta di fuoco di nascita di stelle. I quasar sono fari brillanti di luce intensa provenienti dai centri di galassie lontane. Sono alimentati da buchi neri supermassicci che si nutrono voracemente di materia in caduta. Questa frenesia alimentare scatena un torrente di radiazioni che può eclissare la luce collettiva di miliardi di stelle nella galassia ospite. In poche decine di milioni di anni, i buchi neri e le loro galassie si fonderanno, e così sarà la coppia di quasar, formando un buco nero ancora più massiccio. Una sequenza simile di eventi accadrà tra qualche miliardo di anni quando la nostra galassia, la Via Lattea, si fonderà con la vicina galassia di Andromeda. Credito:NASA, ESA, e J. Olmsted (STScI)
Il telescopio spaziale Hubble della NASA "vede doppio". Sbirciando indietro di 10 miliardi di anni nel passato dell'universo, Gli astronomi di Hubble hanno trovato un paio di quasar così vicini l'uno all'altro da sembrare un singolo oggetto nelle foto telescopiche a terra, ma non nella visione nitida di Hubble.
I ricercatori ritengono che i quasar siano molto vicini l'uno all'altro perché risiedono nei nuclei di due galassie che si fondono. La squadra ha continuato a vincere il "doppio giornaliero" trovando un'altra coppia di quasar in un'altra coppia di galassie in collisione.
Un quasar è un brillante faro di luce intensa proveniente dal centro di una galassia lontana che può eclissare l'intera galassia. È alimentato da un buco nero supermassiccio che si nutre voracemente di materia in espansione, scatenando un torrente di radiazioni.
"Stimiamo che nell'universo lontano, per ogni 1, 000 quasar, c'è un doppio quasar. Quindi trovare questi doppi quasar è come trovare un ago in un pagliaio, ", ha affermato il ricercatore capo Yue Shen dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
La scoperta di questi quattro quasar offre un nuovo modo per sondare le collisioni tra le galassie e la fusione di buchi neri supermassicci nell'universo primordiale, dicono i ricercatori.
I quasar sono sparsi in tutto il cielo ed erano più abbondanti 10 miliardi di anni fa. All'epoca c'erano molte fusioni di galassie che alimentavano i buchi neri. Perciò, gli astronomi teorizzano che in quel periodo avrebbero dovuto esserci molti quasar doppi.
"Questo è veramente il primo campione di quasar doppi nell'epoca di picco della formazione delle galassie con cui possiamo usare per sondare idee su come i buchi neri supermassicci si uniscono per formare alla fine un binario, " ha detto il membro del team di ricerca Nadia Zakamska della Johns Hopkins University di Baltimora, Maryland.
I risultati del team sono apparsi nel numero online del 1 aprile della rivista Astronomia della natura .
Shen e Zakamska sono membri di un team che utilizza Hubble, l'osservatorio spaziale Gaia dell'Agenzia spaziale europea, e lo Sloan Digital Sky Survey, così come diversi telescopi terrestri, per compilare un robusto censimento delle coppie di quasar nell'universo primordiale.
Queste due immagini del telescopio spaziale Hubble rivelano due coppie di quasar che esistevano 10 miliardi di anni fa e risiedono nel cuore delle galassie che si fondono. Ciascuno dei quattro quasar risiede in una galassia ospite. Queste galassie, però, non si vedono perché sono troppo deboli, anche per Hubble. I quasar all'interno di ogni coppia sono solo circa 10, 000 anni luce di distanza - il più vicino mai visto in questa epoca cosmica. I quasar sono fari brillanti di luce intensa provenienti dai centri di galassie lontane che possono eclissare le loro intere galassie. Sono alimentati da buchi neri supermassicci che si nutrono voracemente di materia in caduta, scatenando un torrente di radiazioni. La coppia di quasar nell'immagine a sinistra è catalogata come J0749+2255 e la coppia a destra come J0841+4825. Le due coppie di galassie ospiti abitate da ciascun doppio quasar alla fine si fonderanno. I quasar quindi orbiteranno strettamente l'uno attorno all'altro fino a quando alla fine si uniranno a spirale e si uniranno, con conseguente ancora più massiccio, ma solitario buco nero. L'immagine per J0749+2255 è stata scattata il 5 gennaio 2020. L'istantanea J0841+4825 è stata scattata il 30 novembre, 2019. Entrambe le immagini sono state scattate in luce visibile con Wide Field Camera 3. Credito:NASA, ESA, H. Hwang e N. Zakamska (Johns Hopkins University), e Y. Shen (Università dell'Illinois, Urbana-Champaign)
Le osservazioni sono importanti perché il ruolo di un quasar negli incontri galattici gioca un ruolo fondamentale nella formazione delle galassie, dicono i ricercatori. Quando due galassie vicine iniziano a distorcersi a vicenda gravitazionalmente, la loro interazione incanala il materiale nei rispettivi buchi neri, accendendo i loro quasar.
Col tempo, le radiazioni di queste "lampadine" ad alta intensità lanciano potenti venti galattici, che spazzano via la maggior parte del gas dalle galassie che si fondono. Privo di gas, la formazione stellare cessa, e le galassie si evolvono in galassie ellittiche.
"I quasar hanno un profondo impatto sulla formazione delle galassie nell'universo, " Ha detto Zakamska. "Trovare due quasar in questa prima epoca è importante perché ora possiamo testare le nostre idee di vecchia data su come i buchi neri e le loro galassie ospiti evolvono insieme".
Finora gli astronomi hanno scoperto più di 100 quasar doppi nelle galassie che si fondono. Però, nessuno di loro è vecchio quanto i due doppi quasar in questo studio.
Le immagini di Hubble mostrano che i quasar all'interno di ciascuna coppia sono solo circa 10, 000 anni luce di distanza. A confronto, il nostro Sole è 26, 000 anni luce dal buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia.
Le coppie di galassie ospiti alla fine si fonderanno, e allora anche i quasar si uniranno, con conseguente ancora più massiccio, unico buco nero solitario.
Trovarli non è stato facile. Hubble è l'unico telescopio con una visione abbastanza nitida da sbirciare indietro nell'universo primordiale e distinguere due quasar vicini che sono così lontani dalla Terra. Però, La risoluzione nitida di Hubble da sola non è abbastanza buona per trovare questi doppi fari luminosi.
Gli astronomi dovevano prima capire dove puntare Hubble per studiarli. La sfida è che il cielo è ricoperto da un arazzo di antichi quasar che hanno preso vita 10 miliardi di anni fa, solo una piccola frazione dei quali sono duali. È stata necessaria una tecnica fantasiosa e innovativa che ha richiesto l'aiuto del satellite Gaia dell'Agenzia spaziale europea e della Sloan Digital Sky Survey a terra per compilare un gruppo di potenziali candidati da osservare da Hubble.
Situato all'Apache Point Observatory nel New Mexico, il telescopio Sloan produce mappe tridimensionali di oggetti in tutto il cielo. Il team ha esaminato attentamente il sondaggio Sloan per identificare i quasar da studiare più da vicino.
I ricercatori hanno quindi arruolato l'osservatorio Gaia per aiutare a individuare potenziali candidati al doppio quasar. Gaia misura le posizioni, distanze, e i moti degli oggetti celesti vicini in modo molto preciso. Ma il team ha ideato un nuovo, applicazione innovativa per Gaia che potrebbe essere utilizzata per esplorare l'universo lontano. Hanno usato il database dell'osservatorio per cercare quasar che imitano il moto apparente delle stelle vicine. I quasar appaiono come singoli oggetti nei dati di Gaia. Però, Gaia può cogliere un sottile, "jiggle" inaspettato nella posizione apparente di alcuni dei quasar che osserva.
I quasar non si muovono nello spazio in modo misurabile, ma invece il loro tremolio potrebbe essere la prova di fluttuazioni casuali di luce poiché ogni membro della coppia di quasar varia in luminosità. I quasar lampeggiano di luminosità su scale temporali da giorni a mesi, a seconda del programma di alimentazione del loro buco nero.
Questa luminosità alternata tra la coppia di quasar è simile a vedere un segnale di attraversamento ferroviario a distanza. Mentre le luci su entrambi i lati del segnale stazionario lampeggiano alternativamente, il segno dà l'illusione di "tremare".
Quando i primi quattro bersagli sono stati osservati con Hubble, la sua visione nitida ha rivelato che due dei bersagli sono due coppie ravvicinate di quasar. I ricercatori hanno affermato che è stato un "momento della lampadina" che ha verificato il loro piano di utilizzo di Sloan, Gaia, e Hubble a caccia dell'antico, inafferrabili doppi propulsori.
Il membro del team Xin Liu dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha definito la conferma di Hubble una "felice sorpresa". Da tempo è alla ricerca di doppi quasar più vicini alla Terra utilizzando diverse tecniche con telescopi terrestri. "La nuova tecnica non solo può scoprire quasar doppi molto più lontano, ma è molto più efficiente dei metodi che abbiamo usato prima, " lei disse.
I loro Astronomia della natura l'articolo è una "prova di concetto che dimostra davvero che la nostra ricerca mirata di dual quasar è molto efficiente, " ha detto il membro del team Hsiang-Chih Hwang, uno studente laureato alla Johns Hopkins University e il ricercatore principale del programma Hubble. "Apre una nuova direzione in cui possiamo accumulare sistemi molto più interessanti da seguire, cosa che gli astronomi non erano in grado di fare con tecniche o set di dati precedenti".
Il team ha anche ottenuto osservazioni di follow-up con i telescopi Gemini della National Science Foundation NOIRLab. "La spettroscopia risolta spazialmente di Gemini può respingere senza ambiguità gli intrusi a causa di sovrapposizioni casuali da sistemi stella-quasar non associati, dove la stella in primo piano è allineata per coincidenza con il quasar di sfondo, " ha detto il membro del team Yu-Ching Chen, uno studente laureato presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
Nonostante la squadra sia convinta del proprio risultato, dicono che c'è una piccola possibilità che le istantanee di Hubble abbiano catturato immagini doppie dello stesso quasar, un'illusione causata dalla lente gravitazionale. Questo fenomeno si verifica quando la gravità di un'enorme galassia in primo piano si divide e amplifica la luce del quasar di sfondo in due immagini speculari. Però, i ricercatori pensano che questo scenario sia altamente improbabile perché Hubble non ha rilevato galassie in primo piano vicino alle due coppie di quasar.
Le fusioni galattiche erano più abbondanti miliardi di anni fa, ma alcuni stanno accadendo ancora oggi. Un esempio è NGC 6240, un vicino sistema di galassie in fusione che ha due e forse anche tre buchi neri supermassicci. Una fusione galattica ancora più stretta avverrà tra qualche miliardo di anni quando la nostra galassia della Via Lattea si scontrerà con la vicina galassia di Andromeda. La lotta galattica probabilmente alimenterebbe i buchi neri supermassicci nel nucleo di ogni galassia, accendendoli come quasar.
I futuri telescopi potrebbero offrire maggiori informazioni su questi sistemi di fusione. Telescopio spaziale James Webb della NASA, un osservatorio a infrarossi il cui lancio è previsto entro la fine dell'anno, sonderà le galassie ospiti dei quasar. Webb mostrerà le firme delle fusioni galattiche, come la distribuzione della luce stellare e le lunghe stelle filanti di gas tirate dalle galassie interagenti.
