SONO LE GALASSIE DORMIENTI, NELL’UNIVERSO PRIMORDIALE

Un nascondiglio per buchi neri supermassicci

Un team internazionale di astronomi, tra cui Stefano Marchesi dell’Inaf di Bologna, ha utilizzato la Cosmic Evolution Survey per studiare galassie tra 9,5 e 12,5 miliardi di anni luce di distanza, riuscendo a scovare un segnale riconducibile alla presenza di buchi neri supermassicci nelle galassie dormienti nell'universo primordiale. Tutti i dettagli su ApJ

     31/05/2022
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In queste galassie la formazione stellare si è interrotta circa 10 miliardi di anni fa (immagini composite a 3 falsi colori che combinano i dati del telescopio Subaru e Vista). Crediti: Naoj

Un team internazionale di astronomi, tra cui Stefano Marchesi dell’Inaf Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna, ha utilizzato un database che combina le osservazioni dei migliori telescopi al mondo per scovare un segnale riconducibile alla presenza di buchi neri supermassicci attivi nelle galassie dormienti nell’universo primordiale. La comparsa di questi buchi neri supermassicci è correlata ai cambiamenti nella galassia ospite, suggerendo che un tale buco nero potrebbe avere effetti di vasta portata sull’evoluzione della galassia stessa.

La Via Lattea in cui viviamo comprende stelle di varie età, comprese quelle ancora in formazione. Ma esistono galassie nelle quali tutte le stelle sono vecchie e all’incirca della stessa età. «Le galassie cosiddette dormienti», spiega Marchesi a Media Inaf, «sono galassie ellittiche che hanno smesso di creare nuove stelle in numeri significativi: ciò significa che queste galassie non contengono grandi quantità di gas freddo e denso, che è il carburante necessario per formare nuove stelle».

All’inizio della loro storia queste galassie ellittiche hanno avuto un periodo di prolifica formazione stellare che si deve essere concluso improvvisamente. Perché questa formazione stellare sia cessata in certe galassie ma non in altre non è ancora chiaro. Una possibilità è che un buco nero supermassiccio abbia distrutto o espulso il gas presente in alcune galassie, creando un ambiente inadatto alla formazione stellare.

Per testare questa teoria, gli astronomi hanno osservato galassie lontane. A causa della sua velocità finita, la luce impiega tempo per viaggiare attraverso lo spazio vuoto. La luce che vediamo provenire da un oggetto a 10 miliardi di anni luce di distanza, ha dovuto viaggiare per 10 miliardi di anni per raggiungere la Terra. Di conseguenza, ciò che vediamo oggi è quello che è stato 10 miliardi di anni fa, quando la luce è stata emessa. Quindi, guardare galassie lontane è come guardare indietro nel tempo. Ma la distanza implica che le galassie lontane appaiano più deboli, rendendone difficile lo studio.

Per superare queste difficoltà, un team internazionale guidato da Kei Ito al Sokendai in Giappone ha utilizzato il Cosmic Evolution Survey (Cosmos) per campionare galassie tra 9,5 e 12,5 miliardi di anni luce di distanza. Cosmos combina i dati acquisiti dai telescopi leader a livello mondiale, tra cui l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) e il Subaru Telescope. Cosmos include dati raccolti da osservazioni in banda radio, nella luce infrarossa, visibile e nei raggi X.

Il team ha utilizzato per la prima volta dati ottici e infrarossi per identificare due gruppi di galassie: quelle con formazione stellare in corso e quelle in cui la formazione stellare si è interrotta. Tuttavia, il rapporto segnale-rumore dei dati a raggi X e radio era troppo debole per identificare singole galassie e allora il team ha combinato i dati di diverse galassie per produrre immagini con un rapporto segnale-rumore più elevato di galassie “medie”. Nella media delle immagini, il team ha confermato sia le emissioni di raggi X che quelle radio per le galassie senza formazione stellare. È la prima volta che tali emissioni sono state rilevate per galassie lontane, a più di 10 miliardi di anni luce di distanza. Inoltre, i risultati mostrano che le emissioni di raggi X e radio sono troppo forti per essere spiegate dalle sole stelle nella galassia, indicando la presenza di un buco nero supermassiccio attivo. Questo segnale di attività del buco nero è più debole per le galassie in cui è in corso la formazione stellare.

«Nel nostro studio», conclude Marchesi, «abbiamo confrontato le proprietà di un campione di galassie dormienti con quelle di un campione di galassie che invece stanno formando molte nuove stelle. Utilizzando osservazioni ai raggi X e radio abbiamo scoperto che la mancata formazione di nuove stelle è dovuta a due diverse classi di fenomeni a seconda della distanza tra noi e la galassia (e quindi anche dell’età della galassia stessa). Più nello specifico, in galassie più lontane (ad oltre 9,5 miliardi di anni luce da noi) abbiamo misurato un segnale X e radio causato dai cosiddetti nuclei galattici attivi (Agn): si tratta di buchi neri supermassicci (ovvero con masse che vanno dai milioni ai miliardi di volte la massa del Sole) situati al centro delle galassie. Nell’aumentare la propria massa, questi buchi neri producono immense quantità di energia: quest’energia si propaga poi alla galassia, in molti casi riscaldando o espellendo il gas freddo presente al suo interno, e quindi interrompendo la formazione di nuove stelle. Nelle galassie dormienti più vicine a noi, invece, il contributo dei buchi neri supermassicci alla soppressione della formazione stellare non è altrettanto significativo: questo suggerisce che a rimuovere il gas freddo debbano essere altri processi (come ad esempio esplosioni di supernove, o il moto della galassia all’interno del cosiddetto mezzo intra-galattico)».

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