Il telescopio spaziale James Webb ha fatto una delle scoperte più inaspettate nel suo primo anno di servizio:un numero elevato di deboli puntini rossi nell'universo lontano potrebbe cambiare il modo in cui comprendiamo la genesi dei buchi neri supermassicci.
La ricerca, guidata da Jorryt Matthee, professore assistente di astrofisica presso l'Istituto di scienza e tecnologia Austria (ISTA), è ora pubblicata su The Astrophysical Journal .
Un gruppo di piccoli punti rossi trovati in una piccola regione del nostro cielo notturno potrebbe davvero rappresentare una svolta inaspettata per il James Webb Space Telescope (JWST) durante il suo primo anno di servizio. Questi oggetti erano indistinguibili dalle normali galassie attraverso gli "occhi" del vecchio telescopio spaziale Hubble.
"Senza essere stato sviluppato per questo scopo specifico, il JWST ci ha aiutato a determinare che deboli puntini rossi - trovati molto lontano nel lontano passato dell'universo - sono piccole versioni di buchi neri estremamente massicci. Questi oggetti speciali potrebbero cambiare il modo in cui pensare alla genesi dei buchi neri", afferma Matthee, professore assistente presso l'Istituto di scienza e tecnologia Austria (ISTA) e autore principale dello studio.
"Le attuali scoperte potrebbero portarci un passo avanti verso la risposta a uno dei più grandi dilemmi dell'astronomia:secondo i modelli attuali, alcuni buchi neri supermassicci nell'universo primordiale sono semplicemente cresciuti "troppo velocemente". Allora come si sono formati?"
Gli scienziati hanno a lungo considerato i buchi neri una curiosità matematica, finché la loro esistenza non è diventata sempre più evidente. Questi strani pozzi cosmici senza fondo potrebbero avere masse così compatte e una gravità così forte che nulla può sfuggire alla loro forza di attrazione; assorbono qualsiasi cosa, inclusa la polvere cosmica, i pianeti e le stelle, e deformano lo spazio e il tempo attorno a loro in modo tale che nemmeno la luce può sfuggire.
La teoria generale della relatività, pubblicata da Albert Einstein oltre un secolo fa, prevedeva che i buchi neri potessero avere qualsiasi massa. Alcuni dei buchi neri più intriganti sono i buchi neri supermassicci (SMBH), che potrebbero raggiungere da milioni a miliardi di volte la massa del sole. Gli astrofisici concordano sul fatto che esiste un SMBH al centro di quasi tutte le grandi galassie. La prova che Sagittarius A* è un SMBH al centro della nostra galassia con oltre quattro milioni di volte la massa del sole, ha valso il Premio Nobel per la fisica 2020.
Tuttavia, non tutti gli SMBH sono uguali. Mentre Sagittarius A* potrebbe essere paragonato a un vulcano dormiente, alcuni SMBH crescono estremamente rapidamente inghiottendo quantità astronomiche di materia. Diventano così così luminosi da poter essere osservati fino ai confini dell'universo in continua espansione. Questi SMBH sono chiamati quasar e sono tra gli oggetti più luminosi dell'universo.
"Un problema con i quasar è che alcuni di essi sembrano essere eccessivamente massicci, troppo massicci data l'età dell'universo in cui vengono osservati i quasar. Li chiamiamo 'quasar problematici'", afferma Matthee.
"Se consideriamo che i quasar hanno origine dalle esplosioni di stelle massicce - e che conosciamo il loro tasso di crescita massimo dalle leggi generali della fisica, alcuni di loro sembrano cresciuti più velocemente di quanto sia possibile. È come guardare un ciclo quinquennale -bambino alto due metri. Qualcosa non quadra," spiega.
Gli SMBH potrebbero forse crescere ancora più velocemente di quanto pensassimo inizialmente? Oppure si formano diversamente?
Ora Matthee e i suoi colleghi identificano una popolazione di oggetti che appaiono come piccoli punti rossi nelle immagini JWST. Inoltre, dimostrano che questi oggetti sono SMBH, ma non eccessivamente massicci.
Fondamentale nel determinare che questi oggetti sono SMBH è stato il rilevamento delle righe di emissione spettrale Hα con ampi profili di riga. Le linee Hα sono linee spettrali nella regione rosso intenso della luce visibile che vengono emesse quando gli atomi di idrogeno vengono riscaldati. L'ampiezza degli spettri traccia il movimento del gas.
"Più ampia è la base delle linee Hα, maggiore è la velocità del gas. Pertanto, questi spettri ci dicono che stiamo osservando una nube di gas molto piccola che si muove estremamente rapidamente e orbita attorno a qualcosa di molto massiccio come un SMBH", afferma Matthee.
Tuttavia, i piccoli punti rossi non sono i mostri cosmici giganti che si trovano negli SMBH eccessivamente massicci.
"Mentre i 'quasar problematici' sono blu, estremamente luminosi e raggiungono miliardi di volte la massa del sole, i piccoli punti rossi sono più simili a 'baby quasar'. Le loro masse sono comprese tra dieci e cento milioni di masse solari. Inoltre, appaiono rossi perché sono polverosi, che oscurano i buchi neri e ne arrossano i colori," spiega Matthee.
Ma alla fine, il deflusso di gas dai buchi neri perforerà il bozzolo di polvere e da questi piccoli punti rossi si evolveranno i giganti. Pertanto, l'astrofisico dell'ISTA e il suo team suggeriscono che i piccoli punti rossi siano piccole versioni rosse di giganteschi SMBH blu nella fase che precede i quasar problematici.
"Studiare in modo più dettagliato le versioni baby degli SMBH eccessivamente massicci ci consentirà di comprendere meglio come nascono i quasar problematici", spiega Matthee.
Matthee e il suo team sono riusciti a trovare i piccoli quasar grazie ai set di dati acquisiti dalle collaborazioni EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) e FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations). Si tratta di un programma JWST di grandi e medie dimensioni in cui Matthee è stato coinvolto. Lo scorso dicembre, Physics World la rivista ha inserito l'EIGER tra le 10 migliori innovazioni dell'anno per il 2023.
"L'EIGER è stato progettato per studiare specificamente i rari quasar blu supermassicci e i loro ambienti. Non è stato progettato per trovare i piccoli punti rossi. Ma li abbiamo trovati per caso nello stesso set di dati. Questo perché utilizzando la telecamera a infrarossi vicini del JWST, EIGER acquisisce gli spettri di emissione di tutti gli oggetti nell'universo," dice Matthee. "Se alzi l'indice e distendi completamente il braccio, la regione del cielo notturno che abbiamo esplorato corrisponde a circa un ventesimo della superficie dell'unghia. Finora probabilmente abbiamo solo scalfito la superficie."
Matthee è fiducioso che il presente studio aprirà molte strade e aiuterà a rispondere ad alcune delle grandi domande sull'universo.
"I buchi neri e gli SMBH sono forse le cose più interessanti dell'universo. È difficile spiegare perché sono lì, ma sono lì. Speriamo che questo lavoro ci aiuti a sollevare uno dei più grandi veli di mistero sull'universo." conclude.
Ulteriori informazioni: Piccoli punti rossi:un'abbondante popolazione di deboli nuclei galattici attivi (AGN) a z ~ 5 rivelata dalle indagini EIGER e FRESCO JWST, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2345
Informazioni sul giornale: Giornale astrofisico , Mondo della fisica
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