I quasar sono i centri ardenti delle galassie attive, che ospitano al loro interno un insaziabile buco nero supermassiccio. La maggior parte delle galassie ospita un buco nero centrale che occasionalmente può nutrirsi di gas e detriti stellari, generando una breve esplosione di luce sotto forma di un anello luminoso mentre il materiale turbina verso il buco nero.

I quasar, al contrario, possono consumare enormi quantità di materia per periodi di tempo molto più lunghi, generando un anello estremamente luminoso e di lunga durata, così luminoso, infatti, che i quasar sono tra gli oggetti più luminosi dell'universo.

Poiché sono così luminosi, i quasar eclissano il resto della galassia in cui risiedono. Ma il team del MIT è riuscito per la prima volta a osservare la luce molto più debole proveniente dalle stelle nelle galassie ospiti di tre antichi quasar.

Basandosi su questa sfuggente luce stellare, i ricercatori hanno stimato la massa di ciascuna galassia ospite, rispetto alla massa del suo buco nero supermassiccio centrale. Hanno scoperto che in questi quasar i buchi neri centrali erano molto più massicci rispetto alle galassie che li ospitavano, rispetto alle loro controparti moderne.

I risultati, pubblicati oggi su The Astrophysical Journal , potrebbe far luce su come i primi buchi neri supermassicci siano diventati così massicci nonostante avessero un tempo cosmico relativamente breve in cui crescere. In particolare, quei primi mostruosi buchi neri potrebbero essere germogliati da "semi" più massicci rispetto ai buchi neri più moderni.

"Dopo la nascita dell'universo, si sono formati buchi neri seme che hanno poi consumato materiale e sono cresciuti in un tempo molto breve", afferma l'autore dello studio Minghao Yue, postdoc presso il Kavli Institute for Astrophysicals and Space Research del MIT. "Una delle grandi domande è capire come questi mostruosi buchi neri possano crescere così grandi e così velocemente."

"Questi buchi neri sono miliardi di volte più massicci del Sole, in un momento in cui l'universo è ancora nella sua infanzia", ​​afferma l'autrice dello studio Anna-Christina Eilers, assistente professore di fisica al MIT. "I nostri risultati implicano che nell'universo primordiale, i buchi neri supermassicci avrebbero potuto acquisire massa prima delle galassie che li ospitavano, e i semi iniziali del buco nero avrebbero potuto essere più massicci di oggi."

I coautori di Eilers e Yue includono il direttore del Kavli del MIT Robert Simcoe, l'Hubble Fellow del MIT e il postdoc Rohan Naidu, oltre a collaboratori in Svizzera, Austria, Giappone e alla North Carolina State University.

Nuclei abbaglianti

L'estrema luminosità di un quasar è stata evidente da quando gli astronomi hanno scoperto per la prima volta gli oggetti negli anni '60. Presumero quindi che la luce del quasar provenisse da un'unica "sorgente puntiforme" simile a una stella. Gli scienziati hanno designato gli oggetti "quasar", come combinazione di un oggetto "quasi stellare".

Da quelle prime osservazioni, gli scienziati si sono resi conto che i quasar in realtà non sono di origine stellare ma derivano dall'accrescimento di buchi neri supermassicci intensamente potenti e persistenti che si trovano al centro di galassie che ospitano anche stelle, che sono molto più deboli rispetto alla loro abbagliante luce. nuclei.

È stato estremamente impegnativo separare la luce proveniente dal buco nero centrale di un quasar dalla luce delle stelle della galassia ospite. Il compito è un po’ come individuare un campo di lucciole attorno a un enorme faro centrale. Ma negli ultimi anni, gli astronomi hanno avuto maggiori possibilità di farlo con il lancio del James Webb Space Telescope (JWST) della NASA, che è stato in grado di scrutare più indietro nel tempo e con sensibilità e risoluzione molto più elevate rispetto a qualsiasi altro telescopio esistente. osservatorio.

Nel loro nuovo studio, Yue ed Eilers hanno dedicato del tempo su JWST per osservare sei antichi quasar conosciuti, in modo intermittente dall’autunno del 2022 fino alla primavera successiva. In totale, il team ha raccolto più di 120 ore di osservazioni dei sei oggetti distanti.

"Il quasar supera la galassia ospite per ordini di grandezza. E le immagini precedenti non erano abbastanza nitide da distinguere l'aspetto della galassia ospite con tutte le sue stelle", dice Yue. "Ora, per la prima volta, siamo in grado di rivelare la luce di queste stelle modellando con molta attenzione le immagini molto più nitide di JWST di quei quasar."

Un equilibrio leggero

Il team ha fatto il punto sui dati di imaging raccolti da JWST di ciascuno dei sei quasar distanti, che secondo loro avevano circa 13 miliardi di anni. Tali dati includevano misurazioni della luce di ciascun quasar in diverse lunghezze d'onda. I ricercatori hanno inserito questi dati in un modello di quanta di quella luce probabilmente proviene da una “sorgente puntiforme” compatta, come il disco di accrescimento di un buco nero centrale, rispetto a una fonte più diffusa, come la luce proveniente dalle stelle sparse circostanti la galassia ospite. .

Attraverso questo modello, il team ha suddiviso la luce di ciascun quasar in due componenti:la luce proveniente dal disco luminoso del buco nero centrale e la luce proveniente dalle stelle più diffuse della galassia ospite. La quantità di luce proveniente da entrambe le sorgenti riflette la loro massa totale. I ricercatori stimano che per questi quasar il rapporto tra la massa del buco nero centrale e la massa della galassia ospite fosse di circa 1:10. Ciò, si sono resi conto, era in netto contrasto con l'attuale bilancio di massa di 1:1.000, in cui i buchi neri formatisi più di recente sono molto meno massicci rispetto alle galassie che li ospitano.

"Questo ci dice qualcosa su ciò che cresce per primo:è il buco nero che cresce per primo, e poi la galassia lo raggiunge? Oppure sono la galassia e le sue stelle che crescono per prime, e dominano e regolano la crescita del buco nero?" Eilers spiega. "Vediamo che i buchi neri nell'universo primordiale sembrano crescere più velocemente delle galassie che li ospitano. Questa è una prova provvisoria che i semi iniziali del buco nero avrebbero potuto essere più massicci allora."

"Ci deve essere stato qualche meccanismo per far sì che un buco nero acquisisse massa prima della galassia che lo ospitava in quei primi miliardi di anni", aggiunge Yue. "È una specie di prima prova che vediamo a riguardo, il che è entusiasmante."