Gli scienziati trovano un buco nero di massa inspiegabile attraverso le osservazioni del telescopio James Webb

Guardando indietro, diventa chiaro che La luce proveniente dalla galassia chiamata J1120+0641 ha impiegato quasi lo stesso tempo per raggiungere la Terra Come si è evoluto l’universo fino ai giorni nostri. È inspiegabile come il buco nero al suo centro possa pesare più di un miliardo di masse solari, come dimostrato da misurazioni indipendenti.

Si supponeva che recenti osservazioni della materia vicino al buco nero avessero rivelato un meccanismo di alimentazione particolarmente efficiente, ma non hanno trovato nulla di speciale. Questo risultato è ancora più straordinario: potrebbe significare questo Gli astrofisici capiscono meno di quanto pensassero sull’evoluzione delle galassie. Tuttavia non ti deludono affatto.

Questi risultati sono pubblicati sulla rivista Astronomia naturale.

I primi miliardi di anni di storia cosmica rappresentano una sfida: il primo I buchi neri conosciuti al centro delle galassie hanno masse sorprendentemente grandi. Come sono diventati così grandi e così veloci? Le nuove osservazioni qui descritte forniscono una forte prova contro alcune delle spiegazioni proposte, in particolare contro la “modalità di alimentazione ultra efficiente” dei primi buchi neri.

Limiti alla crescita del buco nero supermassiccio

Le stelle e le galassie sono cambiate significativamente nell’ultimo periodo Universo di 13,8 miliardi di anni. Le galassie sono cresciute e hanno guadagnato più massa, consumando il gas che le circondava o (a volte) fondendosi tra loro. Per molto tempo, Gli astronomi hanno ipotizzato che i buchi neri supermassicci al centro delle galassie siano gradualmente cresciuti insieme alle galassie stesse..

Ma La crescita dei buchi neri non può essere arbitrariamente veloce. La materia che cade sul buco nero si forma”Disco di accumulo“Luminoso, caldo e rotondo Quando ciò accade attorno a un buco nero supermassiccio, il risultato è un nucleo galattico attivo”. Gli oggetti più luminosi, conosciuti come quasar, tra gli oggetti astronomici più luminosi dell’intero universo. Ma questa luminosità limita la quantità di materia che può cadere sul buco nero: la luce esercita una pressione che può impedire la caduta di altra materia.

Come hanno fatto i buchi neri a diventare così massicci e così velocemente?

Ecco perché gli astronomi sono rimasti sorpresi quando, negli ultimi 20 anni, Le osservazioni di quasar distanti hanno rivelato buchi neri molto piccoli Che, però, è arrivato La sua massa raggiunge i 10 miliardi di masse solari . La luce ha bisogno di tempo per viaggiare da un oggetto distante a noi, quindi guardare oggetti distanti significa guardare nel lontano passato. Vediamo i quasar più lontani conosciuti come erano in un’era conosciuta come “Alba cosmica“, meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang, quando si formarono le prime stelle e galassie.

Spiegare quei primi buchi neri massicci è una sfida Ottimo per gli attuali modelli di evoluzione galattica. I primi buchi neri potrebbero essere più efficienti nell’accumulare gas rispetto ai loro omologhi moderni? Oppure la presenza di polvere potrebbe influenzare le stime della massa dei quasar in un modo tale da portare i ricercatori a sovrastimare le masse dei primi buchi neri? Ci sono molte spiegazioni proposte in questo momento, ma nessuna è stata ampiamente accettata.

Uno sguardo più da vicino alla crescita iniziale dei buchi neri

Determinare l’interpretazione corretta (se esiste) richiede un quadro più completo dei quasar rispetto a quello precedentemente disponibile. Con arrivo Telescopio spaziale JWSTNello specifico, lo strumento nel medio infrarosso del telescopio (MIRI), la capacità degli astronomi di studiare quasar distanti, ha fatto un enorme passo avanti. Per misurare gli spettri di quasar distanti, Il MIRI è 4.000 volte più sensibile di qualsiasi strumento precedente.

Strumenti come MIRI sono prodotti da consorzi internazionali, dove scienziati, ingegneri e tecnici lavorano a stretto contatto. Naturalmente l’Unione è molto interessata a sapere se il suo strumento funziona come previsto.

In cambio della realizzazione dello strumento, i consorzi in genere ricevono un certo periodo di tempo di monitoraggio. Nel 2019, anni prima del lancio del telescopio spaziale James Webb,… Il Consorzio europeo MIRI decise di utilizzare parte di questo tempo per osservare quello che allora era il quasar più lontano conosciuto.un oggetto recante l’etichetta J1120+0641.

Osservazione di uno dei primi buchi neri

L’analisi degli appunti ricadde sul Dott. Sarah Boseman, ricercatore post-dottorato presso il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) e membro del consorzio europeo MIRI. I contributi di MPIA allo strumento MIRI includono la costruzione di una serie di parti interne chiave. A Boseman è stato chiesto di unirsi alla collaborazione MIRI specificamente per fornire competenze su come utilizzare al meglio lo strumento per studiare l’universo primordiale, in particolare i primi buchi neri supermassicci.

Le osservazioni sono state condotte nel gennaio 2023Durante la prima sessione di osservazioni del telescopio spaziale James Webb, è durata circa due ore e mezza. Si mettono in posa Primo studio nel medio infrarosso dei quasar nell’alba cosmica, appena 770 milioni di anni dopo il Big Bang. (spostamento verso il rosso z = 7). L’informazione non proviene da un’immagine, ma da uno spettro: la scomposizione della luce a forma di arcobaleno proveniente da un oggetto in componenti di diverse lunghezze d’onda.

Traccia polvere e gas in rapido movimento

La forma generale dello spettro del medio infrarosso (“continuum”) codifica le caratteristiche di un grande anello di polvere che circonda il disco di accrescimento nei tipici quasar. Questo toro aiuta a dirigere la materia verso il disco di accrescimento, “alimentando” il buco nero.

Cattive notizie per coloro la cui soluzione preferita ai primi buchi neri massicci risiede in modelli alternativi di rapida crescita: il toroide, e quindi il meccanismo di alimentazione di questo primo quasar, sembra essere lo stesso di quello delle sue controparti più moderne. L’unica differenza è che nessun modello prevedeva la rapida crescita iniziale dei quasar: una temperatura della polvere leggermente più alta, circa un centinaio di K più calda dei 1.300 K riscontrati nella polvere più calda dei quasar meno distanti.

La parte dello spettro con lunghezze d’onda più corte, dominata dalle emissioni provenienti dallo stesso disco di accrescimento, mostra che per noi osservatori distanti, la luce del quasar non è attenuata da più polvere del solito. Anche le argomentazioni secondo cui potremmo sovrastimare le masse dei primi buchi neri a causa della polvere extra non sono la risposta.

I primi quasar “sorprendentemente naturali”

Anche la regione a linea larga del quasar, dove grumi di gas orbitano attorno al buco nero a velocità vicine a quella della luce, consentendo deduzioni sulla massa del buco nero e sulla densità e ionizzazione della materia circostante, appare normale. In quasi tutte le proprietà che possono essere estratte da uno spettro, J1120+0641 non è diverso dai quasar di epoche successive.

“Nel complesso, le nuove osservazioni accrescono il mistero: i primi quasar erano sorprendentemente normali. Indipendentemente dalla lunghezza d’onda che osserviamo, i quasar sono quasi identici in ogni momento nell’universo“Non solo gli stessi buchi neri supermassicci, ma anche i loro meccanismi di alimentazione erano già completamente ‘maturi’ quando l’universo aveva solo il 5% della sua età attuale”, spiega Boseman.

Escludendo una serie di soluzioni alternative, i risultati supportano fortemente l’idea I buchi neri supermassicci iniziano con grandi masse fin dall’inizio, in gergo astronomico: sono “primordiali” o “macroseme”.. I buchi neri supermassicci non si sono formati dai resti delle prime stelle e poi sono diventati massicci molto rapidamente. Devono essersi formati presto con masse iniziali di almeno 100.000 masse solari, presumibilmente attraverso il collasso di massicce nubi di gas primordiali.

riferimento

Sarah E. Bosman et al. Un quasar maturo all’alba dell’universo rilevato mediante spettroscopia infrarossa a fermo immagine presso il telescopio James WebbAstronomia naturale (2024). doi: 10.1038/s41550-024-02273-0