Questa immagine dallo strumento NirCam (Near-Infrared Camera) del James Webb Space Telescope mostra una porzione di cielo del campo di galassie Goods-North. In basso a destra, un estratto evidenzia la galassia Gn-z11, che è vista a solo 430 milioni di anni dopo il big bang. L’immagine rivela una componente estesa che traccia la galassia ospite Gn-z11, e una sorgente centrale compatta i cui colori sono coerenti con quelli di un disco di accrescimento che circonda un buco nero. Crediti: Nasa, Esa, Csa, Brant Robertson (Uc Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (University of Arizona), Daniel Eisenstein (CfA)
Libri come Orgoglio e pregiudizio dovrebbero averci insegnato che non sempre la prima impressione su qualcosa può essere esaustiva, perché, a volte, le cose sono più complesse di quanto ci aspettiamo. Questo capita spesso nella scienza, infatti, dove non sempre è possibile spiegare tutto alla prima occhiata. Nonostante questo, però, con nuove osservazioni e strumenti, spesso è possibile carpire alcuni segreti da oggetti già osservati. È proprio il caso di Gn-z11, vista per la prima volta nel 2016 dallo Hubble Space Telescope.
La galassia è una delle più giovani e distanti mai osservate – già esisteva quando l’universo, che oggi ha 13.8 miliardi di anni, aveva solo 430 milioni di anni – e così brillante che sta sfidando gli scienziati a capirne il motivo.
Quando Gn-z11 è stata osservata da due team, guidati entrambi da Roberto Maiolino del Cavendish Laboratory e del Kavli Institute of Cosmology all’Università di Cambridge (Regno Unito), con il telescopio della Nasa James Webb Space Telescope (Jwst) sono venuti alla luce alcuni dei suoi segreti.
Uno dei due team, studiando la galassia con Jwst, ha trovato la prima chiara evidenza che essa ospita al suo interno un buco nero supermassiccio centrale che sta rapidamente accrescendo materia. La loro scoperta – della quale già vi avevamo dato notizia lo scorso gennaio, quando è stata pubblicata su Nature – fa di questo il più lontano buco nero supermassiccio attivo avvistato fino a oggi.
«Abbiamo trovato del gas estremamente denso che è comune in vicinanza di un buco nero supermassiccio che sta accrescendo gas», spiega Maiolino. «Queste sono le prime chiare evidenze che Gn-z11 sta ospitando un buco nero che sta divorando materia».
Utilizzando sempre Jwst, il team ha anche individuato segni di elementi chimici ionizzati tipicamente osservati vicino a buchi neri supermassicci in accrescimento. In aggiunta, i ricercatori hanno scoperto anche un “vento” molto potente che viene espulso dalla galassia. Questi venti ad alte velocità sono tipicamente causati da processi associati a buchi neri supermassicci in vigoroso accrescimento.
«La camera per il vicino infrarosso NirCam di Webb ha rivelato una componente estesa, tracciando la galassia ospitante, e una sorgente compatta centrale i cui colori sono consistenti con quelli di un disco di accrescimento che circonda un buco nero», dice Hannah Übler, anche lei ricercatrice al Cavendish Laboratory e al Kavli Institute.
Queste evidenze insieme mostrano che Gn-z11 ospita un buco nero supermassiccio di 2 milioni di masse solari – ovvero 2 milioni di volte la massa della nostra stella – in una fase di consumo della materia estremamente attiva, che è il motivo per cui è così luminoso.
Le due immagini (cliccare per ingrandire) mostrano la prova della presenza di un grumo di elio gassoso nell’alone che circonda la galassia Gn-z11. Nell’immagine in alto, ottenuta dallo strumento NirCam, un piccolo riquadro sull’estrema destra identifica Gn-z11 nel campo delle galassie. Il riquadro centrale mostra un’immagine ingrandita della galassia. Il riquadro a sinistra mostra una mappa del’elio nell’alone di Gn-z11, includendo il grumo che non appare nei colori infrarossi mostrati nel riquadro centrale. Il grafico in basso, ottenuto invece con NirSpec, è lo spettro con le “impronte” distintive dell’elio nell’alone. Non si nota la presenza di altri elementi nell’intero spettro, e questo suggerisce che il grumo di elio debba essere molto incontaminato, fatto di gas di idrogeno ed elio derivato direttamente dal big bang, senza contaminazione alcuna – o quasi – di elementi più pesanti prodotti dalle stelle. La teoria e le simulazioni relative a galassie particolarmente massicce di quest’epoca predicono che ci debbano essere sacche di gas incontaminato che sopravvivono nel loro alone, e queste possono collassare e formare ammassi di stelle di Popolazione III. Crediti: Nasa, Esa, Csa, Ralf Crawford (Stsci)
Il secondo team, sempre guidato da Maiolino, ha usato un altro strumento di Webb, lo spettrografo per il vicino infrarosso NirSpec, per trovare un grumo di elio gassoso nell’alone che circonda Gn-z11 – scoperta riportata in un articolo di prossima pubblicazione su Astronomy & Astrophysics.
«Il fatto che non vediamo nient’altro oltre l’elio suggerisce che questo grumo debba essere abbastanza incontaminato», spiega Maiolino. «Questo è qualcosa che era atteso dalla teoria e dalle simulazioni in prossimità di galassie particolarmente massicce di quest’epoca – ovvero che ci dovrebbero essere sacche di gas incontaminato che sopravvivono nell’alone, e queste potrebbero collassare e formare ammassi stellari di Popolazione III».
Le stelle di Popolazione III di cui parla Maiolino sono la prima generazione di stelle apparse nell’universo. Formate quasi interamente di idrogeno ed elio, ci si aspetta che siano molto massicce, molto luminose e molto calde. Ma non sono mai state osservate, e trovarle è uno dei più importanti obiettivi della fisica moderna. La loro traccia attesa – vale a dire, la loro firma spettroscopica – è la presenza di elio ionizzato e l’assenza di elementi chimici più pesanti dell’elio. Riuscire a vederle rappresenterebbe una svolta, in quanto la formazione delle prime stelle e galassie marchia un fondamentale salto nella storia del cosmo, storia durante la quale l’universo evolve da oscuro e “semplice” all’ambiente altamente strutturato e complesso che vediamo oggi.
Nelle future osservazioni di Webb, Maiolino, Übler e i loro team esploreranno con maggior profondità Gn-z11: la loro speranza è di riuscire a rafforzare la tesi delle stelle di Popolazione III che potrebbero trovarsi in formazione nel suo alone.
Per saperne di più:
- Leggi il preprint dell’articolo in uscita su Astronomy & Astrophysics “JWST-JADES. Possible Population III signatures at z=10.6 in the halo of GN-z11”, di Roberto Maiolino, Hannah Uebler, Michele Perna, Jan Scholtz, Francesco D’Eugenio, Callum Witten, Nicolas Laporte, Joris Witstok, Stefano Carniani, Sandro Tacchella, William Baker, Santiago Arribas, Kimihiko Nakajima, Daniel Eisenstein, Andrew Bunker, Stephane Charlot, Giovanni Cresci, Mirko Curti, Emma Curtis-Lake, Anna de Graaff, Zhiyuan Ji, Benjamin D. Johnson, Nimisha Kumari, Tobias J. Looser, Michael Maseda, Brant Robertson, Bruno Rodriguez Del Pino, Lester Sandles, Charlotte Simmonds, Renske Smit, Fengwu Sun, Giacomo Venturi, Christina Williams e Christopher Willmer