Il peso del gigante invisibile

I buchi neri supermassicci inattivi sono tra le formazioni più affascinanti e misteriose dell’universo: giganti silenziosi con masse di miliardi di volte quella del Sole, non emettono radiazione energetica e sono, pertanto, completamente invisibili ai nostri strumenti, sfuggendo a ogni tentativo di misurazione diretta. Per decenni, la loro inattività ha rappresentato uno dei limiti più ostinati dell’astrofisica osservativa. La loro presenza può essere dedotta soltanto dagli effetti dinamici che esercitano sulle stelle circostanti, un principio che ha permesso di identificare il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea e, in seguito, di stimare le masse di oggetti analoghi in galassie vicine attraverso lo studio dei moti stellari integrati. Tuttavia, oltre una certa distanza da noi, questo metodo diventa impraticabile: la regione in cui la gravità del buco nero domina è troppo piccola per essere riconoscibile dai nostri telescopi, e la sua sfera d’influenza si dissolve nella vastità di miliardi di anni luce.

È proprio questo limite che un nuovo studio pubblicato su Science riesce finalmente a superare. Un team internazionale di astronomi ha misurato direttamente per la prima volta la massa di un buco nero supermassiccio inattivo risalente agli albori dell’universo, sfruttando un raro allineamento cosmico, che ha trasformato una galassia lontana in una lente gravitazionale naturale. La misura apre una via completamente nuova per indagare la crescita dei buchi neri nelle epoche primordiali e offre un punto di riferimento prezioso per comprendere come abbiano influenzato l’evoluzione delle prime strutture cosmiche.

Il cuore della scoperta è la galassia Mrg M0138, un oggetto lontano più di dieci miliardi di anni luce che, grazie alla sua posizione rispetto alla Terra e a una galassia interposta, appare deformata e amplificata dalla lente gravitazionale, ossia quando la luce proveniente da sorgenti lontane viene deviata e amplificata per effetto della deformazione dello spazio tempo dovuto dalla presenza di enormi masse galattiche. Questa distorsione naturale, prevista dalla relatività generale, consente di osservare dettagli che altrimenti sarebbero indistinguibili, trasformando la luce proveniente dalla galassia remota in una mappa tridimensionale della sua struttura interna. Analizzando questa mappa, gli astronomi hanno individuato l’impronta gravitazionale del buco nero dormiente nascosto al centro della galassia Mrg M0138, ricostruendone la massa con una precisione mai ottenuta prima per un oggetto inattivo dell’universo primordiale.

Il risultato è sorprendente: il buco nero pesa circa sei miliardi di masse solari, un valore che supera di dodici volte quello previsto dai modelli basati sulla densità stellare della galassia ospite. Questa discrepanza suggerisce che nei primi miliardi di anni di vita del cosmo i buchi neri supermassicci potessero crescere molto più rapidamente delle galassie che li circondavano, invertendo il rapporto che oggi osserviamo nelle epoche più recenti. È un indizio che invita a riconsiderare le teorie sulla formazione delle prime strutture cosmiche e che potrebbe spiegare perché alcuni buchi neri dell’universo giovane appaiono già incredibilmente massicci quando le galassie sono ancora in fase embrionale.

Morfologia e cinematica stellare di Mrg-M0138. (A) Immagine Nircam del Jwst dell’ammasso di galassie in primo piano Macs J0138.0–2155 attraverso i filtri F115W (blu), F150W (verde) e F356W (rosso), mostrata con un’estensione logaritmica della luminosità. Gli archi rosso brillante sono immagini multiple di Mrg-M0138 prodotte dall’effetto di lente gravitazionale. Il riquadro tratteggiato mostra il campo visivo dello strumento Nirspec Ifu utilizzato nelle osservazioni. (B) Immagine ricostruita della galassia nel piano della sorgente dopo aver rimosso l’effetto della lente gravitazionale. L’ellisse bianca rappresenta la Psf efficace. (C) Stessa regione di (B), colorata per indicare la velocità stellare V derivata dai dati del Nirspec Ifu. (D) Stesso contenuto di (C), ma il colore indica la dispersione di velocità stellare σ. Crediti: Andrew B. Newman et al.

Lo studio offre anche una prospettiva nuova sul ruolo delle lenti gravitazionali come strumenti per indagare l’universo remoto. Finora, queste configurazioni erano state utilizzate soprattutto per studiare la distribuzione della materia oscura o per osservare galassie troppo deboli per essere rilevate direttamente. Ora dimostrano di poter rivelare anche la presenza di buchi neri inattivi, aprendo la strada a una nuova generazione di misure che potrebbe estendersi a molti altri oggetti simili. Con telescopi come il James Webb Space Telescope, la combinazione tra osservazioni infrarosse ad alta risoluzione e lenti gravitazionali naturali potrebbe diventare uno dei metodi più promettenti per ricostruire la storia della crescita dei buchi neri supermassicci.

È un passo avanti che riguarda l’intero quadro della cosmologia primordiale: capire quanto rapidamente crescono questi giganti significa comprendere come si sono formate le galassie, come si è distribuita la materia nell’universo giovane e quali processi fisici hanno dominato nelle epoche in cui il cosmo stava ancora imparando a costruire le sue prime strutture.

Immagine in alto: Illustrazione artistica che mostra come il Jwst, supportato dall’effetto di lente gravitazionale, abbia permesso al team di misurare la massa di un buco nero inattivo nell’universo primordiale. Crediti immagine: Navid Marvi/Carnegie Science.