Rappresentazione artistica dei dintorni del buco nero supermassiccio al centro di una galassia attiva. Crediti: Eso/M. Kornmesser
Nel primo miliardo di anni di vita dell’universo, i venti scatenati dai buchi neri supermassicci al centro delle galassie erano molto più frequenti e più potenti rispetto a quelli osservati nelle galassie odierne, circa tredici miliardi di anni più tardi. Questi venti sarebbero così poderosi da rallentare la crescita degli stessi buchi neri da cui hanno origine. Sono i risultati dello studio guidato da tre ricercatrici dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) di Trieste, pubblicati oggi sulla rivista Nature.
Il lavoro è basato sulle osservazioni di 30 quasar – sorgenti puntiformi dalla luminosità molto elevata, al centro di galassie lontanissime, la cui emissione deriva dall’attività intensa dei loro buchi neri supermassicci centrali che risucchiano la materia circostante – ottenute con il Very Large Telescope (Vlt) presso l’Osservatorio di Paranal dell’Eso in Cile. Le galassie che ospitano questi quasar sono state osservate all’alba del cosmo, quando l’universo aveva tra 500 milioni e un miliardo di anni di età.
«Abbiamo misurato per la prima volta la frazione di quasar nell’universo giovane che esibisce venti generati dai buchi neri», dice Manuela Bischetti, ricercatrice Inaf a Trieste e prima autrice del nuovo studio. «A differenza di quanto si osserva nell’universo più vicino a noi, abbiamo scoperto che i venti prodotti dai buchi neri nell’universo giovane sono molto frequenti, hanno grandi velocità, pari fino al 17 per cento della velocità della luce, ed immettono grandi quantità di energia nella galassia che li ospita».
Circa la metà dei quasar osservati in questa ricerca mostra la presenza di venti da buchi neri, che risultano dunque molto più frequenti rispetto a quelli noti nei quasar del cosmo a noi più vicino – ovvero quando l’universo aveva circa quattro miliardi di anni di età – oltre a essere oltre 20 volte più potenti.
«Le osservazioni dei buchi neri nell’universo giovane mostrano che essi crescono più velocemente delle galassie che li ospitano, mentre nell’universo vicino a noi sappiamo che buchi neri e galassie co-evolvono», aggiunge la coautrice Chiara Feruglio, ricercatrice Inaf a Trieste. «Questo implica che ad una certa epoca dell’universo sia intervenuto un meccanismo responsabile del rallentamento della crescita dei buchi neri. Le nostre osservazioni ci hanno permesso di identificare tale meccanismo nei venti generati dai buchi neri quando l’universo aveva 0,5–1 miliardo di anni».
Le ricercatrici Valentina D’Odorico (sinistra), Manuela Bischetti (centro) e Chiara Feruglio (destra). Crediti: Inaf
L’energia iniettata dai venti sarebbe dunque in grado di arrestare l’accrescimento di nuova materia sul buco nero, rallentandone la crescita e dando inizio ad una fase di ‘evoluzione comune’ tra il buco nero e la sua galassia ospite.
«Questo studio ci ha permesso di identificare l’epoca nella storia dell’universo in cui l’impatto dei venti generati dai buchi neri inizia ad essere significativo», nota Bischetti. «Questo ha un grosso impatto per quanto riguarda la nostra conoscenza delle fasi iniziali di crescita dei buchi neri e delle galassie che li ospitano, ponendo dei vincoli stringenti ai modelli di formazione delle prime galassie».
La scoperta, del tutto inaspettata, è stata possibile grazie ai dati di alta qualità forniti dallo strumento X-shooter montato sul Vlt, nell’ambito di un grande programma Eso per un totale di circa 250 ore di osservazioni.
«I quasar osservati sono tra gli oggetti più luminosi osservabili nell’universo primordiale, ma a causa della loro distanza sono piuttosto deboli in termini di magnitudine osservata», spiega la coautrice Valentina D’Odorico dell’Inaf di Trieste, affiliata alla Scuola Normale Superiore di Pisa e del programma osservativo su cui si basa lo studio. «Il grande investimento di tempo dedicato all’osservazione di questi oggetti e le capacità uniche di X-shooter in termini di efficienza, intervallo di lunghezza d’onda coperto e potere risolutivo ci hanno permesso di ottenere spettri di ottima qualità che hanno consentito questo interessante risultato».
Diagramma che illustra l’ambiente in cui si generano i venti prodotti dai buchi neri supermassicci. Crediti: Inaf/M. Bischetti et al.
«Da alcuni anni c’erano indizi che i buchi neri un miliardo di volte più massicci del Sole, al centro di enormi galassie formatesi quando l’universo era ancora nella sua infanzia, potessero lanciare dei potentissimi venti che viaggiano ad una velocità pari a 20 per cento di quella della luce nello spazio circostante», aggiunge Andrea Ferrara, professore della Scuola Normale Superiore (Sns) e coautore dello studio. «Oggi ne abbiamo conferma grazie a dati ottenuti con un telescopio europeo da un team a forte impronta e guida italiana, a cui la Sns ha contribuito per la parte di interpretazione teorica. La scoperta di questi spettacolari venti galattici a tempi così remoti potrebbe avere avuto implicazioni enormi e ancora inesplorate per la nascita e l’evoluzione di galassie come la nostra. Ci dedicheremo a queste domande nella prosecuzione già in atto di questo studio».
Il programma osservativo non era stato originariamente progettato per questo obiettivo scientifico ma principalmente per studiare il gas intergalattico nell’Universo primordiale. Basandosi sulle informazioni provenienti da quasar più vicini a noi, si pensava che questi venti fossero rari. «Per fortuna, si diceva, poiché queste caratteristiche complicano la ricostruzione dell’emissione intrinseca del quasar e sono indesiderate dagli astronomi nella nostra collaborazione che studiano il mezzo intergalattico presente lungo la linea di vista», chiarisce D’Odorico. «Inaspettatamente, abbiamo riscontrato che questi venti sono molto comuni nell’Universo giovane, il che ha complicato la nostra analisi ma ci ha offerto l’opportunità di ottenere un risultato di grande importanza».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Suppression of black-hole growth by strong outflows at redshifts 5.8-6.6”, di Bischetti M., Feruglio C., D’Odorico V., Arav N., Bañados E., Becker G., Bosman S. E. I., Carniani S., Cristiani S., Cupani G., Davies, R., Eilers A. C., Farina E. P., Ferrara A., Maiolino R., Mazzucchelli C., Mesinger A., Meyer R. A., Onoue M., Piconcelli E., Ryan- Weber E., Schindler J-T., Wang F., Yang J., Zhu Y. e F. Fiore