I buchi neri sono tra gli oggetti più estremi dell’universo. La loro gravità è così intensa da intrappolare persino la luce, impendendole di sfuggire. Non tutti, però, si comportano allo stesso modo, alcuni sono particolarmente attivi e divorano grandi quantità di materia circostante; altri invece sono ‘dormienti’ e attraversano lunghi periodi di relativa quiete, pur restando potenzialmente pronti a risvegliarsi se si presentano determinate condizioni.
Quando gas e polveri vengono inghiottiti da un buco nero, si riscaldano a temperature elevatissime, producendo enormi quantità di radiazione. In tali condizioni, questi corpi possono diventare tra gli oggetti più luminosi del cosmo, dando origine a oggetti celesti noti come nuclei galattici attivi (Agn), categoria di cui fanno parte i quasar.
I buchi neri dormienti, invece, accumulano quantità irrisorie di materia e per questo risultano praticamente invisibili. Possiamo individuarli soltanto osservando gli effetti gravitazionali che esercitano sull’ambiente circostante.
È ciò che ha fatto di recente un team internazionale di studiosi guidato da Andrew Newman, astronomo presso la Carnegie Institution for Science di Washington D.c., scoprendo il buco nero dormiente più distante mai osservato. Si trova nel cuore della galassia Mrg-M0138, a una distanza di oltre 10 miliardi di anni luce dalla Terra. I risultati e le misurazioni sono stati pubblicati in questi giorni sulla rivista Science.
Immagine fortemente distorta della galassia Mrg-M0138, al cui interno si cela il buco nero supermassiccio dormiente oggetto dello studio. La struttura è visibile grazie a una lente gravitazione prodotta dall’ammasso di galassie mostrato in bianco, che ha moltiplicato e ingrandito l’immagine quattro volte. Nel cerchio giallo è evidenziato l’ingrandimento analizzato e misurato dagli astronomi, usando lo spettrografo NirSpec, montato sul telescopio James Webb. (Crediti Nasa, Jwst)
La luce dell’oggetto ci arriva da un’epoca in cui il cosmo era molto giovane, appena 3 miliardi di anni, meno di un quarto dell’età attuale. La scoperta offre la rara opportunità per studiare la popolazione dei primi buchi neri supermassicci, apparsi durante le fasi iniziali della storia cosmica.
La difficoltà principale non è stata nell’individuare la galassia quanto ‘pesare’ il suo buco nero centrale. Poiché l’oggetto è dormiente, non emette una radiazione rilevabile, quindi i i ricercatori sono ricorsi a una tecnica indiretta.
Utilizzando i dati del James Webb, hanno analizzato e misurato il moto collettivo delle stelle che orbitano nella regione centrale della galassia, in prossimità del buco nero. La loro velocità e il modo in cui questa varia rispetto alla distanza dal centro hanno permesso di ricostruire la massa dell’oggetto, una quantità tale da dominare gravitazionalmente l’intero sistema.
Il risultato è stato sorprendente: il buco nero possiede una massa pari a circa 6 miliardi di volte quella del nostro Sole.
Tecniche simili sono utilizzate da anni, ad esempio per studiare Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea, o quelli presenti nelle galassie vicine. Tuttavia, questa è la prima volta che il metodo della dinamica stellare circostante viene applicato con successo a una distanza cosmologica così elevata. Il precedente record apparteneva a una galassia distante circa 700 milioni di anni luce, il nuovo oggetto si trova quindici volte più lontano.
Per ottenere questo risultato è stato necessario sfruttare anche un fenomeno previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein: la lente gravitazionale. Tra la Terra e Mrg-M0138 è presente un ammasso di galassie la cui gravità piega e amplifica la luce proveniente da oggetti più distanti. Questo effetto naturale ha ingrandito l’immagine della galassia di circa trenta volte, offrendo agli astronomi l’opportunità di distinguere dettagli che altrimenti sarebbero rimasti fuori dalle nostre attuali capacità osservative, incluso il James Webb.
La scoperta, sotto l’aspetto puramente scientifico, fornisce importanti indicazioni sul rapporto tra le galassie e i loro buchi neri centrali. Le osservazioni mostrano che non solo il buco nero è dormiente, ma anche la galassia che lo ospita ha smesso di formare nuove stelle. Secondo i ricercatori, in passato la situazione era l’opposto, il sistema potrebbe aver attraversato una fase molto più attiva, ospitando un quasar estremamente luminoso.
L’ipotesi finora formulata prevede che, durante la rapida crescita iniziale del buco nero, l’enorme energia rilasciata abbia riscaldato o espulso gran parte del gas disponibile nella galassia. Senza questo materiale, indispensabile per la nascita di nuove stelle, sia il quasar sia la formazione stellare si sarebbero progressivamente spenti, lasciando dietro di sé il gigantesco buco nero dormiente che possiamo osservare oggi.
Si tratta di una scoperta del tutto nuova e forse la prima di una serie. Le future osservazioni del James Webb, o di altri telescopi spaziali, potrebbero infatti rivelare molti altri buchi neri inattivi nell’universo primordiale.
Quando avremo a disposizione un campione più ampio, questo ci consentirà di comprendere a fondo come questi oggetti abbiano influenzato l’evoluzione delle galassie e in quali condizioni possano tornare ad attivarsi dopo lunghi periodi di quiescenza.
Guarda anche un racconto di come, grazie alle lenti gravitazionali, è stato individuato un nucleo galattico attivo a otto miliardi di anni luce da noi: 👉
Immagine in cima all’articolo: lo schema mostra le condizioni che hanno permesso al telescopio spaziale Jwst di individuare il buco nero primordiale e dormiente
Crediti: Navid Marvi/Carnegie Science