Nel campo della cosmologia, ma anche in altri campi dell’astrofisica, il James Webb Space Telescope (JWST) non ha deluso. Ci permette di esplorare stratistrati di luce nella storia dell’Universo osservabile meglio di Hubble e anche di alcuni che erano fuori dalla sua portata, meno di 500 milioni di anni dopo la Big BangBig Bang.
Le osservazioni del JWST hanno quindi rivelato che un gran numero di galassiegalassie già ben evoluti e massicci esistevano prima di quanto si pensasse generalmente, meno di un miliardo di anni fa dopo il Big Bang. In particolare, troviamo large buchi neri supermassiccibuchi neri supermassicci contenente già più di massamassa di quello nostro via Latteavia Lattea Oggi. Questo è un problema per il modello cosmologico standardmodello cosmologico standard basato sulla materia oscura eenergia oscuraenergia oscura. Non siamo ancora a una smentita, ma potrebbe arrivare e portarci ad adottare una nuova legge gravitazionegravitazione e/o meccanica nel quadro della teoria di Mond.
Italiano:
Jean-Pierre Luminet, direttore della ricerca al CNRS e Françoise Combes, professoressa al Collège de France, ci parlano dei buchi neri. © Fondazione Hugot del Collège de France
Comprendiamo abbastanza bene come possono nascere i buchi neri crollocrollo gravitazionalestellestelle quelli massicci contenenti poche decine di masse solari. Otteniamo quindi ciò che chiamiamo buchi neri stellaribuchi neri stellari. Non è lo stesso con i buchi neri supermassicci contenenti da pochi milioni a qualche miliardo di masse solari nel cuore delle galassie. Sono responsabili dell’esistenza di nuclei galattici attivinuclei galattici attivi e in particolare quelli scoperti a partire dal 1963 e che chiamiamo quasar.
I misteriosi quasar
Sappiamo che questi oggetti influenzano l’evoluzione delle galassie e soprattutto che queste stelle crescono insieme, almeno per quanto riguarda quelle grandi. galassie spiraligalassie spirali ed ellittica, perché esiste un notevole rapporto di proporzionalità tra la massa dei buchi neri nel cuore di queste galassie e la massa che contengono sotto forma di stelle.
L’esistenza di buchi neri supermassicci è già di per sé un problema e sono state proposte diverse teorie per spiegare la formazione di questi giganti. In ogni caso occorre mettere in gioco meccanismi di genesi e di crescita rapida. In particolare, si pensava che coloro che furono attivi meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang dovessero essere diversi da coloro che operavano nel cosmocosmo osservabili per alcuni miliardi di anni, il che spiegherebbe anche perché ce ne fossero di più quasarquasar all’inizio della storia dell’Universo rispetto ad oggi.
Ricordiamo che i quasar sono nuclei attivi molto luminosi di galassie che risultano da un nucleo significativo accrescimentoaccrescimento Di questionequestione da buchi neri supermassicci, gran parte della cui materia finisce per cadere al loro interno.
Lo sapevate ?
Circa 60 anni fa, la tecnica delle occultazioni permise di determinare la controparte visibile di quella che allora era solo una sorprendente e potente radiosorgente, 3C 273. Quando Maarten Schmidt, un astronomo olandese, effettuò poi l’analisi spettrale della luce della stella sempre nel visibile, scoprì con stupore linee di emissioni di idrogeno fortemente spostate verso il rosso. Tuttavia, 3C 273 appariva nel visibile come una stella mentre questo risultato implicava che si trovasse al di fuori della Via Lattea a una distanza cosmologica. Per essere osservabile da così lontano, l’oggetto doveva quindi essere di una luminosità prodigiosa. Altre radiosorgenti quasi-stellari, quasar secondo il nome proposto nel 1964 dall’astrofisico cinese Hong-Yee Chiu, sarebbero presto scoperte. Oggi se ne conoscono più di 200.000.
Gli astrofisici cercarono molto presto di comprendere la natura di queste stelle che, pur rilasciando enormi quantità di energia, apparivano piccole. Inizialmente abbiamo pensato che potessero essere stelle enormi dominate dagli effetti della relatività generale, in particolare responsabili dello spostamento spettrale, prima di considerare rapidamente che potrebbero essere buchi neri supermassicci che accumulano grandi quantità di gas. Nel bestiario delle stelle relativistiche che abbiamo iniziato a esplorare seriamente negli anni ’60, alcuni, come il russo Igor Novikov e l’israeliano Yuval Ne’eman, hanno addirittura proposto che i quasar siano in realtà buchi bianchi. Vale a dire che sia le regioni dell’Universo la cui espansione al momento del Big Bang era stata ritardata (ipotesi di nucleo in ritardo), o l’altra estremità dei wormhole che espellono la materia che avevano assorbito sotto forma di buchi neri in un’altra parte del cosmo, o addirittura in un altro Universo.
Si può dimostrare che la radiazione prodotta dal gasgas caldo da disco di accrescimentodisco di accrescimento esercizi a pressionepressioneil famoso pressione di radiazionepressione di radiazione, sulla materia che cade su un buco nero. C’è anche un luminositàluminosità limite oltre il quale la radiazione arresta il flusso della materia. Questo è solo un esempio per chiarire che la determinazione teorica di come cresce un buco nero non è semplice. Più in generale, ci sono incertezze su come un buco nero cresce inghiottendo materia.
Potremmo sperare di testare le teorie che propongono una diversa fornitura di materia del buco nero meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang osservando i quasar dell’epoca con il JWST. Questo è ciò di cui una squadraastrofisiciastrofisici si era impegnato a fare osservando il quasar più distante attualmente conosciuto nella noosfera nel gennaio 2023, durante il primo ciclo di osservazioni del JWST.
J1120+0641, un quasar da laboratorio
La raccolta dei dati è durata circa due ore e mezza e ha quindi riguardato l’ spettrospettro del famoso quasar J1120+0641 situato nel costellazione del leonecostellazione del leoneosservato nelinfrarossiinfrarossi mezzo con lo strumento MiriMiri del JWST durante il cosiddetto periodo diAlbaAlba cosmico. In questo caso per questo quasar, appena 770 milioni di anni dopo il Big Bang (spostamento verso il rossospostamento verso il rosso (z = 7).
L’analisi delle osservazioni è stata affidata a Sarah Bosman, ricercatrice post-dottorato presso il Max-InstitutPlanckPlanck di Astronomia (MPIA) e membro del consorzio europeo Miri, ed espone il lavoro dei suoi colleghi in un articolo su Astronomia della natura.
Italiano:
Françoise Combes, docente al Collège de France, ci parla dei buchi neri supermassicci. ©École Normale Superiore, PSL
In un comunicato stampa dell’MPIA, il ricercatore rivela brutalmente quanto scoperto. “ Nel complesso, le nuove osservazioni non fanno altro che aumentare il mistero: i primi quasar erano sorprendentemente normali. Qualunque cosa lunghezza d’ondalunghezza d’onda nel momento in cui li osserviamo, i quasar sono quasi identici in ogni momento nell’Universo. »
La sua dichiarazione è integrata dalle spiegazioni contenute nello stesso comunicato stampa: “ La forma generale dello spettro del medio infrarosso (“continuum”)) codifica le proprietà di un grande toro di polvere che circonda il disco di accrescimento nei tipici quasar. Questo toro aiuta a guidare la materia verso il disco di accrescimento, “nutrendo” il buco nero… il toro, e per estensione i meccanismi di alimentazione in questo primissimo quasar, sembrano essere gli stessi delle sue controparti più moderne. L’unica differenza è quella che nessun modello della rapida crescita dei primi quasar aveva previsto: una temperatura della polvere leggermente più alta, di circa 100 gradi. KelvinKelvin rispetto ai 1300 K riscontrati per la polvere più calda nei quasar meno distanti ».
Quindi J1120+0641, con una luminosità equivalente a 63 × 1012 volte quello di SoleSole generato da un buco nero supermassiccio di circa 2 miliardi di masse solari appare maturo sia in termini di dimensioni che di massa all’inizio della storia del cosmo, il che è difficile da spiegare nel quadro dei modelli attuali e forse impossibile.
In particolare, si pensava che la sua massa fosse stata sovrastimata a causa della presenza di una grande quantità di polvere nella galassia che ospita il quasar, che ne avrebbe modificato lo spettro al punto da farlo crescere. Ma ora sembra che non sia così, almeno per J1120+0641.
Tre scenari per la produzione di semi di buchi neri supermassicci
Ricordiamo che per spiegare la nascita dei buchi neri supermassicci sono state avanzate principalmente tre ipotesi.
Il primo riguarda i buchi neri cosmologici primordiali, resti della fase ad alta densità del Big Bang meno di un secondo dopo il suo inizio, dove grandi quantità di materia potrebbero collassare gravitazionalmente direttamente in questi buchi neri.
La seconda riguarda le stelle esoticoesotico molto massicce, da poche centinaia a diverse migliaia di masse solari in particolare ma forse di più, facendo parte delle primissime stelle del cosmo osservabile, quelle chiamate Popolazione III, nate durante le prime centinaia di milioni di anni della storia del cosmo osservabile . Queste stelle si sarebbero quindi formate nelle particolari condizioni dell’Universo al momento della anni oscurianni oscurimentre la materia barionica all’origine di tutte le stelle era costituita da una miscela quasi pura diidrogenoidrogenoD’elioelio e il loro isotopiisotopisenza alcuna traccia di elementi pesanti come carbonecarboneIL siliciosilicio e il ferfer.
Questa differenza è importante, per miliardi di anni l’esistenza di polveri di silicati e carboniose è stata necessaria per consentire il collasso delle nuvolenuvole molecolare e polveroso dove nascono i vivai stellari. Anzi, crollando sotto se stessi gravitàgravitàqueste nubi si riscaldano e appare una pressione che ne arresta il collasso, a meno che un agente non ne dissipi una parte CaloreCalore in queste nuvole, portandole a raffreddarsi. Alla fine del Big Bang, senza questa polvere, la formazione stellare non potrebbe essere la stessa. In effetti, abbiamo anche problemi a far nascere stelle supermassicce che, dopo essere esplose supernovaesupernovaepotrebbero lasciare buchi neri giganti contenenti molto più di qualche centinaio di masse solari, germigermi di buchi neri supermassicci che chiamiamo buchi neri di massa intermedia.
L’ultima ipotesi suppone, sempre nel periodo in cui si formano le prime stelle, che immense nubi di materia collassino direttamente dando origine a buchi neri di masse intermedie durante le prime centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. Otterremmo quindi molto rapidamente dei buchi neri di grandi dimensioni ed è proprio ciò che suggeriscono le osservazioni riguardanti J1120+0641 adesso. I ricercatori deducono inoltre che questi primi buchi neri formatisi per collasso gravitazionale diretto dovessero già contenere almeno 100.000 masse solari.
In tutti i casi, i massicci buchi neri generati cresceranno poi accumulando materia, in particolare sotto forma di filamenti freddi che fanno crescere anche le galassie secondo il paradigma consolidatosi negli ultimi dieci anni. Collisioni tra galassie, seguito da fusionefusione, causerà anche la coalescenza e la crescita dei buchi neri massicci e supermassicci. Ma rimane il “problema del parsec finale” su questo argomento.
