Dieci miliardi di anni fa si è verificato un periodo che gli astronomi chiamano “mezzogiorno cosmico”, durante il quale la crescita dei buchi neri supermassicci – quelli con masse milioni o miliardi di volte superiori a quella del Sole – ha raggiunto il massimo nell’intera storia dell’universo. Tra allora e oggi, però, si è osservato un netto rallentamento nella velocità con cui questi oggetti crescono. Questo rallentamento è evidente, ad esempio, nei raggi X. Quando il gas cade in un buco nero supermassiccio, si riscalda enormemente e produce grandi quantità di radiazione, tra cui i raggi X. Per decenni, Chandra e altri telescopi a raggi X hanno documentato un rallentamento della crescita dei buchi neri osservandoli a diverse distanze nell’universo.
Analizzando le osservazioni di circa 1,3 milioni di galassie e 8mila buchi neri supermassicci in fase di accrescimento, raccolte con Chandra, Xmm-Newton dell’Esa ed eRosita, un team internazionale di ricercatori – di cui fa parte anche Fabio Vito dell’Inaf Osservatorio di astrofisica e scienza dello spazio di Bologna – è riuscito a individuare le cause di questo rallentamento.
Questa coppia di immagini rappresenta un vastissimo studio di galassie volto a indagare il rallentamento della crescita dei buchi neri supermassicci, da circa dieci miliardi di anni fa – quando la loro crescita era al massimo – fino a oggi. La galassia 2CXO J033225.7-274936 brilla più intensamente nei raggi X rispetto a 2Cxo J033215.3-275044 perché sta ingerendo materia più rapidamente. Gli astronomi hanno utilizzato dati di Chandra, Xmm-Newton ed eRosita per studiare circa 1,3 milioni di galassie e 8.000 buchi neri supermassicci. L’analisi del team ha mostrato che il consumo di materia da parte dei buchi neri è notevolmente rallentato con l’invecchiamento dell’universo, probabilmente perché la quantità di gas freddo disponibile da ingerire è diminuita. Crediti: X-ray: Nasa/Cxc/Penn State Univ./Z. Yu; Optical (Hst): Nasa/Esa/StScI; Infrared: Nasa/Esa/Csa/StScI; Image Processing: Nasa/Cxc/Sao/P. Edmonds, L. Frattare
Nello studio pubblicato su Astrophysical Journal, i ricercatori hanno determinato la luminosità e la massa dei buchi neri, oltre a quantificare quante galassie del campione presentano sorgenti a raggi X, indice della presenza di buchi neri supermassicci in accrescimento. Il team ha combinato survey di diversa profondità, dalle osservazioni più vicine su ampie porzioni di cielo a studi molto profondi su piccole aree, per testare tre possibili spiegazioni del rallentamento nella crescita dei buchi neri: una minore efficienza nell’accrescimento, masse tipiche più ridotte o un numero inferiore di buchi neri attivamente in crescita. L’analisi dei dati, che copre miliardi di anni di storia cosmica, ha mostrato che i buchi neri stanno effettivamente consumando materia a velocità sempre più basse man mano che ci si allontana temporalmente dal Big Bang. I ricercatori prevedono che questa tendenza continuerà anche in futuro.
«Siamo passati dal constatare che negli ultimi 10 miliardi di anni ci sia stato un costante rallentamento nella crescita media dei buchi neri supermassicci al capire a cosa sia dovuto», commenta Vito a Media INAF. «Nel corso degli anni sono stati proposti diversi motivi: per esempio, che meno buchi neri stessero “attivamente” crescendo, attirando e inglobando materia come facevano alcuni miliardi di anni prima; oppure che i buchi neri più grandi si stessero progressivamente “spegnendo”; o ancora che la velocità media di crescita fosse diminuita in generale per tutti i buchi neri. Queste ipotesi presentano differenze sottili che però incidono molto sulla nostra comprensione di come i buchi neri crescano ed evolvano nel tempo cosmico. Il nostro lavoro ha dimostrato che la terza opzione è quella che meglio si accorda con i dati».
Scenari di crescita dei buchi neri supermassicci. Crediti: Penn State/Z.Yu
«Sembra che il consumo di materia da parte dei buchi neri sia notevolmente diminuito con l’invecchiamento dell’universo», ribadisce Niel Brandt, professore alla Penn State University e coautore dell’articolo. «Questo è probabilmente dovuto al fatto che la quantità di gas freddo disponibile per essere ingerito è diminuita dal mezzogiorno cosmico».
Una sfida importante di questo studio è che sia i buchi neri più massicci sia quelli che crescono più velocemente producono emissioni di raggi X più brillanti. Per questo motivo, sono state utilizzate osservazioni ad altre lunghezze d’onda, tra cui dati ottici e infrarossi, per stimare le masse dei buchi neri e distinguere tra questi due fattori.
Fabio Vito ha conseguito il dottorato in astrofisica presso l’Università di Bologna nel 2014. Dopo alcune esperienze come ricercatore postdoc in Usa, Chile, e Italia, dal 2022 è ricercatore presso Inaf Osservatorio astrofisico e scienze dello spazio di Bologna. Crediti: F. Vito
«Come gran parte dell’astrofisica contemporanea, questo lavoro è stato reso possibile dalla grande mole di dati ottenuti con diversi telescopi e strumenti a diverse lunghezze d’onda. In particolare, un ruolo fondamentale lo hanno avuto alcuni osservatori a raggi X in orbita intorno alla Terra, alcuni dei quali a guida europea, come l’osservatorio Xmm-Newton», commenta Vito. «Le osservazioni nei raggi X ci permettono di identificare chiaramente quali delle centinaia di migliaia di galassie in un piccolo francobollo di cielo ospitano un buco nero supermassiccio che sta accrescendo materia. Osservazioni ad altre frequenze, poi, ci permettono di studiare altre proprietà fondamentali delle galassie, come la distanza da noi o la loro massa. Mettere insieme tutti questi dati e queste informazioni è un lavoro arduo, che spesso viene diviso in passi successivi, che possono prendere anche anni di lavoro. Anche questo articolo, ad esempio, si basa su un campione di galassie selezionate e studiate in un articolo precedente di alcuni degli stessi autori».
Il quadro che emerge è quindi quello di un universo “più povero” di materia per alimentare i buchi neri. «Non solo per alimentare i buchi neri, ma anche per creare nuove stelle e galassie», aggiunge Vito. «L’universo diventerà un posto via via sempre più buio e freddo, in cui le galassie brilleranno solo grazie alle stelle più vecchie, che pian piano si spegneranno. Per fortuna c’è ancora abbastanza materia “libera” e disponibile per alimentare la nascita e la crescita di nuove stelle e buchi neri per altre decine di miliardi di anni».
Per saperne di più:
- Leggi su Astrophysical Journal l’articolo “The Drivers of the Decline in Supermassive Black Hole Growth at z < 2” di Zhibo Yu (喻知博), W. N. Brandt, Fan Zou, Bin Luo, Qingling Ni, D. P. Schneider, and Fabio Vito