Analizzando le immagini del James Webb Space Telescope (JWST), un gruppo di astronomi guidati dal Dr. Lukas Furtak e dal Prof. Adi Zitrin dell'Università Ben-Gurion del Negev ha rilevato un buco nero supermassiccio estremamente rosso, con lente gravitazionale, nell'universo primordiale. . I suoi colori suggeriscono che il buco nero si trova dietro uno spesso velo di polvere che oscura gran parte della sua luce. Il team è riuscito a misurare la massa del buco nero e ha scoperto che era significativamente più massiccio, rispetto alla galassia che lo ospita, rispetto a quanto osservato in esempi più locali.

La scoperta è pubblicata su Nature .

Il JWST, lanciato due anni fa, ha rivoluzionato la nostra visione della formazione iniziale delle galassie. Ha portato alla scoperta di galassie molto primordiali in maggiore abbondanza e luminosità rispetto a quanto previsto in precedenza, e ha rivelato alcuni nuovi tipi di oggetti.

Il gruppo di astronomi aveva rilevato nelle immagini del JWST quello che sembrava essere un oggetto simile a una lente, proveniente dall'universo primordiale. I quasar sono nuclei galattici attivi e luminosi:buchi neri supermassicci al centro delle galassie che accumulano attivamente materiale.

L’accrescimento di materiale sul buco nero emette abbondanti quantità di radiazione che sovrastano la galassia ospite, portandola ad un aspetto compatto e luminoso, simile a quello di una stella. Le immagini JWST in cui Furtak e Zitrin hanno identificato l'oggetto sono state scattate per il programma UNCOVER, che ha ripreso il campo di un ammasso di galassie, Abell 2744, a una profondità senza precedenti.

Poiché l’ammasso contiene grandi quantità di massa, piega lo spaziotempo – o i percorsi dei raggi luminosi che viaggiano vicino ad esso – creando di fatto una lente gravitazionale. La lente gravitazionale ingrandisce le galassie sullo sfondo dietro di essa e consente agli astronomi di osservare galassie ancora più distanti di quanto altrimenti possibile.

"Eravamo molto emozionati quando JWST ha iniziato a inviare i suoi primi dati. Stavamo scansionando i dati arrivati ​​per il programma UNCOVER e tre oggetti molto compatti ma con fiori rossi si stagliavano in modo prominente e hanno attirato la nostra attenzione", afferma il dott. Lukas Furtak, ricercatore post-dottorato. ricercatore presso BGU e autore principale dei documenti della scoperta. "Il loro aspetto a 'punto rosso' ci ha portato immediatamente a sospettare che si trattasse di un oggetto simile a un quasar."

Furtak e il gruppo UNCOVER hanno iniziato a indagare sull'oggetto. "Abbiamo utilizzato un modello di lente numerica che avevamo costruito per l'ammasso di galassie per determinare che i tre punti rossi dovevano essere immagini multiple della stessa sorgente di fondo, viste quando l'universo aveva solo circa 700 milioni di anni", afferma il Prof. Zitrin. , un astronomo della BGU e uno degli autori principali dei documenti della scoperta.

"L'analisi dei colori dell'oggetto ha indicato che non si trattava di una tipica galassia con formazione stellare. Ciò ha ulteriormente supportato l'ipotesi del buco nero supermassiccio", afferma la prof.ssa Rachel Bezanson, dell'Università di Pittsburgh e co-responsabile del programma UNCOVER. "Insieme alle sue dimensioni compatte, è diventato evidente che si trattava probabilmente di un buco nero supermassiccio, sebbene fosse comunque diverso dagli altri quasar trovati in quei primi tempi", ha aggiunto il professor Bezanson. La scoperta dell'oggetto unico, rosso e compatto è stata pubblicata lo scorso anno sull'Astrophysical Journal . Ma quello era solo l'inizio della storia.

Il team ha quindi acquisito i dati JWST/NIRSpec delle tre immagini del “punto rosso” e ha analizzato i dati. "Gli spettri erano semplicemente strabilianti", afferma il prof. Ivo Labbé, della Swinburne University of Technology e co-responsabile del programma UNCOVER, "Combinando il segnale delle tre immagini insieme all'ingrandimento della lente, lo spettro risultante è equivalente a circa 1700 ore di osservazione da parte di JWST su un oggetto senza lente, rendendolo lo spettro più profondo che JWST ha ottenuto per un singolo oggetto nell'universo primordiale."

“Utilizzando gli spettri, siamo riusciti non solo a confermare che l’oggetto compatto rosso era un buco nero supermassiccio e a misurare il suo esatto spostamento verso il rosso, ma anche a ottenere una stima solida della sua massa dalla larghezza delle sue linee di emissione”, afferma l’autore principale Dr. Furtak. "Il gas orbita nel campo gravitazionale del buco nero e raggiunge velocità molto elevate che non si vedono in altre parti delle galassie. A causa dello spostamento Doppler, la luce emessa dal materiale in accrescimento viene spostata verso il rosso su un lato e spostata verso il blu dall'altro, a seconda della sua velocità. Ciò fa sì che le linee di emissione nello spettro diventino più ampie."

Ma la misurazione ha portato ancora un'altra sorpresa:la massa del buco nero sembra essere eccessivamente elevata rispetto alla massa della galassia ospite.

"Tutta la luce di quella galassia deve rientrare in una piccola regione delle dimensioni di un odierno ammasso stellare. L'ingrandimento della lente gravitazionale della sorgente ci ha dato limiti squisiti sulle dimensioni. Anche racchiudendo tutte le possibili stelle in una regione così piccola, il buco nero finisce per rappresentare almeno l'1% della massa totale del sistema", afferma la prof.ssa Jenny Greene dell'Università di Princeton e uno degli autori principali del recente articolo.

“In effetti, si è scoperto che molti altri buchi neri supermassicci nell’universo primordiale mostrano un comportamento simile, che porta ad alcune visioni intriganti della crescita del buco nero e della galassia ospite, e dell’interazione tra loro, che non è ben compresa”.

Gli astronomi non sanno se tali buchi neri supermassicci crescano, ad esempio, da resti stellari o forse da materiale collassato direttamente in buchi neri nell'universo primordiale.

"In un certo senso, è l'equivalente astrofisico del problema dell'uovo e della gallina", afferma il prof. Zitrin. "Al momento non sappiamo cosa sia venuto prima:la galassia o il buco nero, quanto fossero massicci i primi buchi neri e come siano cresciuti."

Poiché molti altri "puntini rossi" e altri nuclei galattici attivi sono stati recentemente rilevati con JWST, si spera di avere presto un'idea migliore.

Ulteriori informazioni: Lukas J. Furtak et al, Un rapporto di massa elevato tra buco nero e massa ospite in un AGN con lente nell'Universo primordiale, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07184-8

Fornito dall'Università Ben-Gurion del Negev