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Recenti osservazioni con il James Webb Space Telescope (JWST) rivelano la presenza di tre strani oggetti estremamente massicci nell’Universo primordiale, circa 600-800 milioni di anni dopo il Big Bang. La loro firma spettrale corrisponde a quella degli ammassi stellari iperdensi che potenzialmente ospitano buchi neri supermassicci, il che è in contraddizione con ciò che ci si aspetterebbe dall’Universo primordiale.
Nel 2022, un gruppo di astrofisici ha rilevato tre oggetti estremamente massicci risalenti a un periodo compreso tra 600 e 800 milioni di anni fa, dopo il Big Bang, quando l’Universo aveva solo il 5% della sua età attuale. Studiando i loro spettri, i ricercatori hanno rilevato tracce di stelle primitive, molto più antiche di quanto sarebbe normalmente possibile nell’Universo primordiale, secondo il modello cosmologico standard.
Sono stati anche sorpresi di scoprire le tracce di buchi neri estremamente massicci, tra 100 e 1000 volte più massicci del buco nero al centro della nostra galassia. Anche in questo caso il processo di formazione dei buchi neri e delle galassie secondo il modello cosmologico standard non concorda.
Un invito a sognare, pronto per essere indossato.
« È molto confuso ” Joel Leja, assistente professore di astronomia e astrofisica e coautore dello studio, ha detto in un comunicato stampa della Penn State University. “ Possiamo adattarlo al nostro attuale modello dell’Universo, ma solo se evochiamo una formazione esotica e incredibilmente rapida all’inizio dei tempi “, lui spiega.
Infatti, anche se inizialmente i ricercatori sospettavano che si trattasse di galassie massicce e primordiali, questo tipo di oggetto in realtà non dovrebbe essere in grado di formarsi nell’Universo primordiale. I processi di feedback indotti dalla formazione stellare generalmente limitano la loro frazione di barioni (particelle composite che costituiscono la materia visibile) ben al di sotto della frazione di barioni cosmici. Ciò significa che gli oggetti in questione sarebbero apparsi prima del previsto e avrebbero rappresentato una massa maggiore del previsto.
Il nuovo studio, recentemente pubblicato su Le lettere del giornale astrofisico, è la continuazione di questa ricerca, volta a confermare la vera natura di questi oggetti. I ricercatori hanno scoperto che in effetti si tratta di galassie vicine all’inizio dell’Universo che sembrano ospitare giganteschi buchi neri supermassicci.
« È stato del tutto inaspettato trovare vecchie stelle in un universo così giovane. I modelli standard di cosmologia e formazione delle galassie hanno avuto un incredibile successo, ma questi oggetti luminosi non si adattano perfettamente a queste teorie “, spiega l’autore principale dello studio, Bingjie Wang.
Piccole galassie che ospitano buchi neri “supermassicci”?
Per effettuare le loro osservazioni e analisi, i ricercatori del nuovo studio si sono affidati al Near InfraRed Spectrograph (NIRSpec) a bordo del JWST e al supercomputer Roar dell’Institute for Computational and Data Sciences della Penn State University. NIRSpec è uno spettrografo multi-oggetto che permette di ottenere contemporaneamente gli spettri di più di un centinaio di oggetti per campo visivo 3’x3′ con diverse
risoluzioni spettrale. Lo strumento può risalire fino a 13,5 miliardi di anni fa, all’inizio dell’Universo.
Tuttavia, anche con la risoluzione del JWST, le analisi spettrali così lontane nell’Universo rappresentano una sfida importante, poiché è difficile distinguere con precisione gli oggetti sorgente. I tre oggetti studiati dal team mostrano chiaramente le caratteristiche dei buchi neri supermassicci e delle stelle massicce e antiche. Tuttavia non sappiamo esattamente quale frazione della luce osservata provenga da ciascuna delle due componenti. In altre parole, è difficile distinguere tra la luce proveniente dal disco di accrescimento dei buchi neri e quella emessa dalle stelle che compongono gli oggetti studiati.
Secondo i ricercatori, i dati indicano che queste potrebbero essere galassie primitive ed estremamente massicce, formatesi molto prima di quanto previsto dai modelli, oppure galassie di massa standard con buchi neri “supermassicci” (o “buco nero supermassiccio”) circa da 100 a 1.000 volte più massicci. rispetto a quelli di una galassia di dimensioni equivalenti. “
L’incapacità di differenziare i dati attuali lascia molto spazio all’interpretazione di questi oggetti intriganti “, dice Wang.
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A sinistra: sorgenti rilevate dal continuo con rotture di Balmer (che misurano la luminosità totale emessa da stelle massicce), rappresentate da diamanti solidi sul piano del colore. A destra: immagini a colori delle tre sorgenti rilevate dalle rotture Balmer, con colori da JWST/NIRCam F115W, F277W e F444W. Sono notevolmente compatti alle lunghezze d’onda rosse, con qualche evidenza di struttura spaziale alle lunghezze d’onda blu. © Bingjie Wang et al.
Popolazioni stellari estremamente dense
Se parte della luce provenisse da buchi neri supermassicci, anche questi non sarebbero buchi neri supermassicci convenzionali. Infatti producono molti più fotoni ultravioletti del normale. Altri oggetti con caratteristiche fotoniche simili sono stati precedentemente rilevati, ma non mostrano le proprietà di un buco nero supermassiccio.
D’altro canto, secondo i ricercatori, la cosa più sorprendente sarebbe la loro massa incredibilmente elevata. Normalmente, le galassie e i buchi neri supermassicci che si trovano al loro centro evolvono insieme nel corso della loro vita. Tuttavia, i buchi neri rilevati dai ricercatori sembrano trovarsi al centro di piccole galassie anche se hanno raggiunto la maturità e sembrano completamente formati. “ Questo non ha proprio senso, perché questi oggetti dovrebbero evolversi insieme, o almeno questo è quello che pensavamo », stima Leja.
Inoltre, le popolazioni stellari sono così dense che avrebbero potuto formarsi solo in condizioni particolarmente esotiche per l’epoca. Se questa densità stellare fosse trasposta nella nostra galassia, la stella più vicina alla Terra si troverebbe nel nostro sistema solare, mentre il buco nero supermassiccio al suo centro sarebbe a soli 26 anni luce di distanza (rispetto ai 26.000 anni luce nella realtà) e sarebbe visibile nel cielo come un gigantesco pilastro di luce. Inoltre, queste affascinanti galassie sembrano specifiche dell’Universo primordiale, perché la loro formazione apparentemente si è fermata dopo solo pochi miliardi di anni per qualche motivo misterioso.
Presto i ricercatori intendono approfondire le loro osservazioni dirigendo il telescopio verso questi oggetti per periodi prolungati. Ciò confermerebbe se si tratta di galassie primitive ed estremamente massicce o di galassie di massa normale con buchi neri “supermassicci”.
