Due gruppi di astronomi guidati dai colleghi dell’Università di Cambridge hanno esplorato lo spazio profondo fino ad una distanza così remota che corrisponde ad un’epoca quando l’Universo aveva una età inferiore a un miliardo di anni. L’obiettivo è quello di determinare come i quasar abbiano regolato la nascita delle stelle e la formazione delle galassie più massive.
I quasar sono tra le sorgenti più luminose dell’Universo e quelli più distanti sono così remoti che ci permettono di andare indietro nel tempo di miliardi di anni. Questi oggetti sono alimentati dall’attività dei buchi neri supermassicci che risiedono nei nuclei delle galassie e sono circondati da una regione di gas a forma di disco che orbita attorno ai buchi neri ad alta velocità. Man mano che il buco nero cattura la materia dallo spazio circostante viene rilasciata una enorme quantità di energia.
Illustrazione del deflusso (in rosso) e del flusso del gas (in blu) verso il quasar. Le regioni più fredde e dense, mostrate nei cerchi, vengono espulse dalla galassia come una sorta di ‘grandinata galattica’. Credit: Tiago Costa
Grazie ai dati raccolti con l’interferometro IRAM Plateau de Bure e a quelli ottenuti dalle simulazioni numeriche realizzate con i supercomputer, i ricercatori hanno trovato che un quasar emette gas freddo ad alta velocità, fino a 2000 Km/sec, raggiungendo distanze di quasi 200 mila anni luce, decisamente maggiori di quanto non sia stato finora osservato. «È la prima volta che stiamo osservando un tale flusso di gas freddo a queste velocità e a queste enormi distanze dal buco nero centrale», spiega Claudia Cicone, studentessa di dottorato al Cavendish Laboratory di Cambridge, affiliata al Kavli Institute for Cosmology, e autore principale di uno dei due articoli. «È molto difficile che il gas a temperature così basse si muova a velocità elevate così come quelle che misuriamo».
Le cause che determinano questa accelerazione a velocità così elevate del gas freddo, che rappresenta una sorta di materiale grezzo necessario per generare le nuove stelle, rimangono ancora un mistero. L’analisi dettagliata che deriva da un confronto tra osservazioni e simulazioni ha permesso di capire solamente come avviene questo processo: il gas viene inizialmente riscaldato fino a raggiungere temperature dell’ordine di 10 milioni di gradi, grazie all’energia emessa dal buco nero supermassiccio che alimenta il quasar. Di conseguenza, l’enorme accumulo di pressione accelera il gas caldo e lo spinge fino alle regioni più esterne della galassia.
Le osservazioni di Cicone hanno permesso ad un secondo gruppo di ricercatori, specialisti di simulazioni numeriche, di sviluppare un modello che permetta di descrivere il flusso del gas nel quasar. Le simulazioni mostrano che durante la fuga dalla galassia, parte del gas ha abbastanza tempo per raffreddarsi al punto da raggiungere delle temperature tali da farlo diventare visibile ai radiotelescopi in banda millimetrica.
La figura mostra il confronto tra i dati e le simulazioni. Credit: Tiago Costa
«Mentre il gas super caldo viene espulso dal quasar, parte di esso ha tempo a sufficienza per raffreddarsi attraverso un processo radiativo simile a quello con cui si abbassa la temperatura della Terra durante una notte senza nuvole», spiega Tiago Costa, studente di dottorato dell’Istituto di Astronomi di Cambridge e del Kavli Institute for Cosmology, autore principale del secondo articolo. «La cosa sorprendente è che in questa galassia primordiale le condizioni sono proprio quelle giuste per permettere al gas caldo di avere tempo per raffreddarsi così come è stato trovato dal gruppo di Claudia Cicone», conclude Costa.
Allo studio hanno partecipato diversi ricercatori italiani, tra i quali Andrea Ferrara, membro del CdA dell’INAF e il direttore dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Roma, Fabrizio Fiore.
«Questi risultati aprono prospettive osservative e teoriche importantissime per lo studio dell’Universo all’epoca della formazione delle prime strutture, perché rivelano la straordinaria complessità nel processo di formazione delle galassie» dice Enrico Piconcelli dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Roma.
«Le osservazioni confermano l’importanza dei venti energetici prodotti dall’accrescimento su un enorme buco nero centrale nell’evoluzione della galassia ospite, e mostrano che le riserve di gas atomico sono presenti su scale fisiche molto più’ estese di quanto precedentemente osservato», aggiunge Chiara Feruglio dell’IRAM di Grenoble.
MNRAS: Tiago Costa, Debora Sijacki and Martin G. Haehnelt – Fast cold gas in hot AGN outflows
arXiv: Fast cold gas in hot AGN outflows
Astronomy & Astrophysics: C. Cicone et al. – Very extended cold gas, star formation and outflows in the halo of a bright quasar at z > 6
arXiv: Very extended cold gas, star formation and outflows in the halo of a bright QSO at z>6