Buchi neri e quasar si sono formati meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang

Sembra che esistano buchi neri supermassicci al centro di ogni galassia, risalenti ad alcune delle prime galassie dell’universo. Non abbiamo idea di come siano arrivati ​​lì. Non dovrebbe essere possibile per loro passare dai resti di supernova a dimensioni enormi così velocemente come fanno. Non siamo a conoscenza di nessun altro meccanismo che potrebbe formare qualcosa di abbastanza grande da non rendere necessaria una crescita esponenziale.

L’apparente impossibilità di buchi neri supermassicci nell’universo primordiale era in effetti un problema minore; Il telescopio spaziale James Webb ha peggiorato le cose trovando precedenti esempi di galassie con buchi neri supermassicci. Nell’ultimo esempio, i ricercatori hanno utilizzato Webb per caratterizzare un quasar alimentato da un buco nero supermassiccio, esistente circa 750 milioni di anni dopo il Big Bang. E sembra sorprendentemente normale.

Guardando indietro nel tempo

I quasar sono gli oggetti più luminosi dell’universo, alimentati attivamente da buchi neri supermassicci. La galassia che li circonda fornisce loro materiale sufficiente per formare luminosi dischi di accrescimento e potenti getti, che emettono entrambi abbondanti quantità di radiazioni. Spesso sono parzialmente ricoperti di polvere, che brilla perché assorbe parte dell’energia emessa dal buco nero. Questi quasar emettono così tanta radiazione che alla fine spingono parte del materiale vicino fuori dalla galassia.

Quindi, la presenza di queste caratteristiche nell’universo primordiale ci direbbe che i buchi neri supermassicci non solo esistevano nell’universo primordiale, ma erano anche incorporati nelle galassie come lo sono più recentemente. Ma i loro studi erano molto difficili. Per cominciare, non ne abbiamo identificati molti; Esistono solo nove quasar risalenti a prima, quando l’universo aveva 800 milioni di anni. A causa di questa distanza, è difficile identificare le caratteristiche, e lo spostamento verso il rosso causato dall’espansione dell’universo prende l’intensa radiazione ultravioletta di molti elementi e la estende nell’infrarosso profondo.

Tuttavia, il telescopio Webb è stato progettato specificamente per rilevare oggetti nell’universo primordiale attraverso la sua sensibilità alle lunghezze d’onda degli infrarossi dove appare questa radiazione. Quindi la nuova ricerca si basa sull’indirizzare Webb verso il primo dei nove quasar scoperti, J1120+0641.

E sembra… straordinariamente normale. O almeno molto simili ai quasar dei periodi più recenti della storia dell’universo.

Per lo più normale

I ricercatori hanno analizzato la continuità della radiazione proveniente dal quasar e hanno trovato chiare indicazioni che fosse incorporato in una massa di materiale caldo e polveroso, come visto nei quasar successivi. Questa polvere è un po’ più calda di alcuni quasar moderni, ma questa sembra essere una caratteristica comune di questi oggetti nelle prime fasi della storia dell’universo. Nello spettro di emissione appare anche la radiazione proveniente dal disco di accrescimento.

Diversi metodi per stimare i valori prodotti in massa per un buco nero nella regione di 10⁹ Molte volte la massa del Sole, collocandolo chiaramente nella regione del buco nero supermassiccio. Ci sono anche prove, da un leggero spostamento verso il blu in parte della radiazione, che il quasar sta soffiando via materiale ad una velocità di circa 350 chilometri al secondo.

Ci sono alcune stranezze. Il primo è che anche il materiale sembra cadere verso l’interno a una velocità di circa 300 chilometri al secondo. Ciò potrebbe essere causato dal materiale che ruota lontano da noi nel disco di accrescimento. Ma se è così, deve essere accolto da materiale che ruota verso di noi dall’altra parte del disco. Ciò è stato osservato molte altre volte nei primissimi quasar, ma i ricercatori riconoscono che “l’origine fisica di questo effetto è sconosciuta”.

Un’opzione che suggeriscono come spiegazione è che l’intero quasar si stia muovendo, scosso dalla sua posizione nel centro galattico da una precedente fusione con un altro buco nero supermassiccio.

Un’altra cosa strana è che c’è anche un flusso molto veloce di carbonio altamente ionizzato, che si muove due volte più velocemente che nei quasar in tempi successivi. Lo abbiamo già visto, ma non c’è nemmeno una spiegazione.

Come è successo?

Nonostante le stranezze, questo oggetto somiglia molto ai quasar recenti: “Le nostre osservazioni mostrano che le complesse strutture del toro polveroso e della stella [accretion disk] Può dimostrarsi in giro a [supermassive black hole] “Meno di 760 milioni dopo il Big Bang.”

Ancora una volta, questo è un po’ un problema perché suggerisce la presenza di un buco nero supermassiccio incorporato nella galassia che lo ospita molto presto nella storia dell’universo. Per raggiungere le dimensioni mostrate qui, i buchi neri si spingono verso quello che viene chiamato limite di Eddington, che è la quantità di materiale che possono assorbire prima che la radiazione risultante espelli il materiale vicino, soffocando le riserve di cibo del buco nero.

Ciò suggerisce due opzioni. Il primo è che questi oggetti hanno assorbito materiale ben oltre il limite di Eddington per gran parte della loro storia, qualcosa che non abbiamo osservato e certamente non vero per questo quasar. L’altra opzione è che abbiano iniziato alla grande (a circa 10⁴ volte la massa del Sole) e continuarono a nutrirsi a un ritmo più ragionevole. Ma non sappiamo davvero come possa formarsi qualcosa di così grande.

Pertanto, l’universo primordiale rimane un luogo alquanto confuso.

Astronomia naturale, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Informazioni sugli ID digitali).