Misurata la massa di un buco nero dormiente che si nasconde al centro di una galassia dell’universo primordiale. Sebbene il buco nero – un colosso sei miliardi di volte più massiccio del Sole – non sia più visibile, avendo smesso di rendere luminoso il materiale che lo circonda, i ricercatori sono comunque riusciti a determinarne la massa. Lo hanno fatto misurando, con il James Webb Space Telescope (Jwst), il moto delle stelle vicine al centro della galassia, influenzate dalla sua gravità.
Jwst e il lensing gravitazionale hanno permesso a un team internazionale di astronomi, guidato da Andrew Newman della Carnegie Science, di misurare per la prima volta la massa di un buco nero dormiente dell’universo primordiale. Crediti: Navid Marvi/ Carnegie Science
I buchi neri in fase di accrescimento attivo sono, per confronto, molto più facili da individuare. Gli astronomi li cercano da decenni osservando i quasar – tra gli oggetti più luminosi dell’universo, alimentati dal gas che cade nel buco nero al centro della galassia.
Il buco nero protagonista di questo studio, pubblicato ieri su Science e firmato tra gli altri da numerosi astronomi associati all’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), si trova al centro di Mrg-M0138, una galassia massiccia la cui luce ha impiegato circa 10 miliardi di anni per raggiungere Jwst, provenendo da un’epoca in cui l’universo aveva circa tre miliardi di anni. La galassia, però, non è attiva: non forma più stelle e il suo buco nero centrale è anch’esso quiescente.
Prima di questo risultato, gli astronomi avevano utilizzato con successo questa tecnica per determinare la massa dei buchi neri solo nell’universo locale. Nel 2020, il premio Nobel è stato assegnato proprio per la rilevazione del buco nero al centro della Via Lattea tramite il tracciamento delle orbite di singole stelle.
I moti collettivi delle stelle nei nuclei galattici sono stati utilizzati per pesare i buchi neri fino a una distanza di circa 700 milioni di anni luce. Ma senza la sofisticata strumentazione di Jwst e il contributo del lensing gravitazionale, questo tipo di misurazione non sarebbe stato possibile per questa galassia lontana e, in generale, per le galassie più distanti.
Per nostra fortuna, Mrg-M0138 si trova infatti dietro un massiccio ammasso di galassie, che ne amplifica e distorce l’aspetto. Di conseguenza, la galassia appare circa 30 volte più grande di quanto sarebbe normalmente. «Combinando i dati di Jwst con la lente gravitazionale, abbiamo potuto sondare la sfera di influenza del buco nero, dove la sua gravità accelera il moto delle stelle», spiega Andrew Newman della Carnegie Science di Pasadena, in California. «È una delle migliori tecniche a nostra disposizione per pesare un buco nero, e siamo stati entusiasti di estenderla a un’epoca molto più antica della storia cosmica».
In precedenza, erano stati individuati solo pochi buchi neri dormienti di questa massa, tutti nell’universo vicino. La scoperta offre quindi nuovi indizi su come i buchi neri e le galassie siano cresciuti insieme nell’universo primordiale. Le galassie vicine mostrano strette correlazioni tra le masse dei loro buchi neri centrali e le proprietà delle galassie che li ospitano. Tuttavia, è stato difficile verificare se queste relazioni esistessero già miliardi di anni fa. I risultati dei ricercatori suggeriscono che le galassie più compatte sono state sedi di una rapida crescita dei buchi neri nelle prime epoche del cosmo.
«Questo importante risultato conferma ancora una volta il ruolo di primo piano della comunità astrofisica italiana nello studio delle lenti gravitazionali, un ambito di ricerca condotto in stretta sinergia con collaborazioni internazionali», ricorda a Media Inaf uno degli autori dello studio, Pietro Bergamini dell’Inaf Oas di Bologna. «La modellizzazione di questi sistemi è infatti fondamentale per sfruttare gli ammassi di galassie come veri e propri telescopi cosmici e, in questo caso, ha permesso di esplorare le regioni più interne di un buco nero supermassiccio al centro di una galassia nell’universo lontano».
Sebbene oggi quiescente, in passato Mrg-M0138 fu probabilmente un potente quasar. Solo che l’energia rilasciata da un buco nero in rapida crescita, come quelli al centro dei quasar, può disperdere il gas che alimenta la nascita delle stelle, frenando così ogni ulteriore attività di formazione stellare.
Il team sta attualmente analizzando dati Jwst relativi ad altre galassie simili. Il satellite Euclid e il Nancy Grace Roman Space Telescope riveleranno molti più esempi di lenti gravitazionali di quanti ne siano attualmente noti. E il Giant Magellan Telescope, attualmente in costruzione presso il Las Campanas Observatory in Cile, avrà la capacità di studiare i moti stellari nelle galassie distanti con un livello di dettaglio molto superiore a quello di Jwst.
Applicare questi metodi a un numero sempre maggiore di galassie, permetterà di comprendere come i buchi neri più massicci si siano formati, cresciuti e abbiano plasmato l’evoluzione delle galassie.
Per saperne di più:
- Leggi su Science l’articolo “A stellar dynamical mass measurement of an inactive black hole at redshift 2” di Andrew B. Newman, Meng Gu, Sirio Belli, Richard S. Ellis, Sai Gangula, Jenny E. Greene, Jonelle L. Walsh, Sherry H. Suyu, Sebastian Ertl, Gabriel Caminha, Giovanni Granata, Claudio Grillo, Stefan Schuldt, Tania M. Barone, Simeon Bird, Karl Glazebrook, Marziye Jafariyazani, Mariska Kriek, Allison Matthews, Takahiro Morishita, Themiya Nanayakkara, Justin D. R. Pierel, Ana Acebrón, Pietro Bergamini, Sangjun Cha, Jose M. Diego, Nicholas Foo, Brenda Frye, Yoshinobu Fudamoto, M. James Jee, Patrick S. Kamieneski, Anton M. Koekemoer, Asish K. Meena, Shun Nishida, Masamune Oguri, Piero Rosati e Adi Zitrin