Immagine del quasar Hsc J2236+0032 ottenuta a 3.6 μm con lo strumento Nircam di Jwst. A sinistra, l’immagine complessiva; al centro, la luce deal quasar; a destra, la luce proveniente dalle stelle della galassia ospite (cliccare per ingrandire). Crediti: Ding, Onoue, Silverman et al.
Tutte le grandi galassie nell’universo ospitano un buco nero supermassiccio al loro centro, anche le galassie più lontane che si osservano nel cosmo più antico. Eppure i meccanismi che ne regolano la formazione sono ancora poco chiari. Gli astrofisici si domandano come si siano potuti formare buchi neri di massa considerevole nel poco tempo disponibile durante le fasi iniziali dell’universo, e si interrogano anche sulla possibile influenza reciproca tra i buchi neri e le loro galassie ospiti. Le osservazioni nell’universo locale mostrano infatti una chiara relazione tra la massa dei buchi neri supermassicci e quella, molto maggiore, delle galassie in cui risiedono, ma da cosa possa derivare questa relazione è ancora un mistero.
Uno studio ha provato a far chiarezza grazie a nuove osservazioni del James Webb Space Telescope (Jwst). Il team di ricerca, guidato da ricercatori del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe in Giappone e del Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics in Cina, ha rivelato per la prima volta la luce proveniente dalle stelle di due galassie che ospitano buchi neri in fervente attività – i cosiddetti quasar – osservate quando l’universo aveva meno di un miliardo di anni.
I nuovi dati hanno permesso di stimare la massa sia dei due buchi neri, pari rispettivamente a 1,4 e 0,2 miliardi di volte quella del Sole, che delle galassie, circa cento volte più massicce. E non solo: il lavoro trova che il rapporto tra le masse dei buchi neri e delle loro galassie ospiti, misurato quando l’universo aveva appena 860 milioni di anni, è simile a quello riscontrato nell’universo locale, circa tredici miliardi di anni dopo. Sembra dunque che la relazione tra buchi neri e galassie esistesse già meno di un miliardo di anni dopo il Big bang. I risultati sono stati pubblicati questa settimana sulla rivista Nature.
«Questa è la prima volta che si misura la massa stellare della galassia, che è quella che viene utilizzata per studiare la relazione tra la massa del buco nero e della galassia ospite nell’universo locale. In precedenza, la massa delle galassie ospiti di quasar a redshift maggiore di 6 (ovvero quando l’universo aveva meno di un miliardo di anni d’età, ndr) era stimata a partire delle proprietà del gas utilizzando il telescopio Alma. È quindi finalmente possibile confrontare le stesse quantità nell’universo lontano e locale», spiega a Media Inaf Marta Volonteri, direttrice di ricerca presso l’Institut d’Astrophysique de Paris, in Francia, e co-autrice del nuovo studio. «Il risultato ha mostrato che la relazione tra la massa del buco nero e la massa della galassia ospite è simile a quella che si osserva nelle galassie vicine a noi, contrariamente ai quasar ancora più brillanti in cui, basandosi sui dati Alma (per questi quasar super brillanti non abbiamo ancora misurato le masse stellari con Jwst), il buco nero è più massiccio “di quanto dovrebbe essere”. Questo è esattamente quello che ci si aspettava».
Secondo Volonteri, che nel 2011 aveva calcolato teoricamente l’evoluzione di questo rapporto nel corso della storia cosmica, il risultato suggerisce che la maggior parte di buchi neri e galassie crescono di pari passo fin dall’inizio della loro storia – oltre 10 miliardi di anni fa. Già nel lavoro di dodici anni fa, la ricercatrice pregustava le osservazioni di Jwst per poter verificare questa ipotesi scrutando galassie lontanissime: il telescopio spaziale Hubble, infatti, è in grado di rilevare galassie ospiti di quasar luminosi quando l’universo aveva poco meno di 3 miliardi di anni, ma non più giovane.
«I quasar sono i più brillanti tra i nuclei galattici attivi la cui sorgente d’energia è l’accrescimento di gas su buchi neri supermassicci, e la luminosità prodotta dal buco nero è molto maggiore della luminosità della galassia ospite», aggiunge Volonteri. «Per osservare la galassia bisogna modellare e sottrarre la luminosità del quasar. Questo è fortunatamente possibile perché il quasar è una sorgente puntiforme: la dimensione della regione in cui la luminosità del buco nero è prodotta è comparabile a quella del Sistema solare, quindi circa un miliardo di volte più piccola delle dimensioni tipiche di una galassia».
Non è stata solo l’elevata risoluzione angolare di Jwst a permettere al team di ottenere queste immagini: osservando a lunghezze d’onda dell’infrarosso, il potente osservatorio spaziale può rivelare la radiazione che era stata originariamente emessa dalle galassie lontane sotto forma di luce visibile, la cui lunghezza d’onda è poi slittata nell’infrarosso a causa dell’espansione cosmica. Il telescopio Hubble, invece, osserva a lunghezze d’onda più piccole (nel visibile e vicino infrarosso) ed è dunque sensibile principalmente alla radiazione emessa dalle galassie nell’ultravioletto, che non traccia bene l’intera distribuzione stellare.
I due quasar erano stati scoperti originariamente con il telescopio Subaru, e sono diventati oggetti di interesse a causa della loro luminosità relativamente bassa, che ne avrebbe reso meno difficile misurare le proprietà della galassia ospite. I ricercatori e le ricercatrici continueranno questo studio su molti altri quasar, sia più brillanti che più deboli, utilizzando le osservazioni programmate per il primo ciclo di Jwst. «Con un campione più grande potremo finalmente quantificare in modo robusto la co-evoluzione tra buco nero e galassia ospite nel primo miliardo d’anni dell’universo», conclude Volonteri.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Detection of stellar light from quasar host galaxies at redshifts above 6” di Xuheng Ding, Masafusa Onoue, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud Jahnke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Volonteri, Zoltan Haiman, Irham Taufik Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebekka Bieri, Sarah E. I. Bosman, Connor Bottrell, Anna-Christina Eilers, Seiji Fujimoto, Melanie Habouzit, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kashikawa, Toshihiro Kawaguchi, Kotaro Kohno, Chien-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Lyu, Tohru Nagao, Roderik Overzier, Jan-Torge Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasaku, Yoshiki Toba, Benny Trakhtenbrot, Maxime Trebitsch, Tommaso Treu, Hideki Umehata, Bram P. Venemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feige Wang e Jinyi Yang.