Un’illustrazione di un buco nero supermassiccio nel cosmo primordiale. Gli astronomi hanno scoperto un quasar alimentato da un buco nero supermassiccio che potrebbe aver contribuito ad “accendere le luci” nell’universo primordiale. L’intensa luminosità e oscuramento di questo quasar è stata osservata dal telescopio spaziale a raggi X NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) della NASA. Le osservazioni di NuSTAR sono state poi confrontate con i dati sullo stesso buco nero supermassiccio in alimentazione provenienti dal telescopio spaziale a raggi X Chandra della NASA. Le nuove scoperte potrebbero aiutare a spiegare come si sono conclusi i “secoli bui” dell’universo primordiale e come i buchi neri siano cresciuti rapidamente fino a possedere masse equivalenti a milioni o miliardi di soli tanto tempo fa. Si teorizza che i buchi neri supermassicci diventino così grandi attraverso una catena di fusioni che coinvolgono buchi neri più piccoli e nutrendosi di copiose quantità di gas e polvere. Il problema è che si pensa che questo processo richieda almeno un miliardo di anni. Ciò significa che i buchi neri supermassicci che esistono meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang pongono una sfida che gli astronomi vorrebbero disperatamente risolvere.
Il quasar recentemente studiato, designato CFHQS J142952+54471 (J1429+5447), è così distante che la sua luce ha viaggiato verso la Terra per quasi 13 miliardi di anni, collocandolo proprio alla fine di quel periodo sfidante. “In questo lavoro, abbiamo scoperto che questo quasar è molto probabilmente un buco nero supermassiccio con un getto puntato verso la Terra — e lo stiamo vedendo nel primo miliardo di anni dell’universo,” ha detto Lea Marcotulli, ricercatrice presso l’Università di Yale, in una dichiarazione. Questa linea temporale significa che questo buco nero supermassiccio, stimato avere una massa di circa 200 milioni di volte quella del sole, esisteva in un periodo cosmico vitale noto come “epoca della reionizzazione.”
I secoli bui cosmici erano un periodo che esisteva fino a circa 1,1 miliardi di anni dopo il Big Bang. Quando l’universo aveva circa 380.000 anni, si era raffreddato abbastanza da permettere agli elettroni e ai protoni di unirsi e formare atomi. La scomparsa degli elettroni liberi significava che i fotoni, le particelle fondamentali della luce, non venivano più rimbalzati all’infinito e potevano effettivamente viaggiare per lunghe distanze. In altre parole, il cosmo passò improvvisamente da opaco a trasparente. Un residuo fossile di questa “prima luce” esiste oggi sotto forma del fondo cosmico a microonde (CMB). Tuttavia, mentre l’universo continuava a raffreddarsi, si formarono più atomi di idrogeno neutro che iniziarono ad assorbire fotoni in massa. Questo causò un nuovo oscuramento dell’universo, dando inizio ai secoli bui cosmici.
L’epoca della reionizzazione descrive il periodo da 680 milioni a 1,1 miliardi di anni dopo il Big Bang, durante il quale la luce ad alta energia iniziò a strappare via gli elettroni dagli ioni di idrogeno, permettendo alla luce di viaggiare liberamente ancora una volta. Sebbene si creda che la luce ultravioletta delle prime stelle sia stata fondamentale per il processo di reionizzazione, gli scienziati hanno a lungo sospettato che altre fonti di luce ad alta energia debbano essere state all’opera. È qui che entrano in gioco i primi quasar. “L’epoca della reionizzazione è considerata la fine dei secoli bui dell’universo,” ha detto Thomas Connor, membro del team di studio e scienziato del Chandra X-Ray Center. “La linea temporale precisa e la classe di sorgenti responsabili della reionizzazione sono ancora oggetto di dibattito, e i buchi neri supermassicci in accrescimento attivo sono uno dei colpevoli proposti.”
I quasar sono visti dove i buchi neri supermassicci si nutrono voracemente della materia intorno a loro. Questi buchi neri supermassicci generano un’enorme frizione nelle nubi appiattite di materiale, note come dischi di accrescimento, che li alimentano gradualmente. Inoltre, la materia che non viene alimentata al buco nero viene canalizzata verso i suoi poli, da dove viene espulsa come getti a velocità prossime a quella della luce. Ciò rende i quasar come J1429+5447 spesso più luminosi della luce combinata di tutte le stelle nelle galassie che li circondano attraverso lo spettro elettromagnetico. Pertanto, non solo sono le fonti ideali per investigare la fine dei secoli bui cosmici, ma sono anche i principali sospettati nella ricerca di questo cambiamento di fase universale così importante, possibilmente fornendo l’energia per ionizzare l’idrogeno neutro.
Connor e colleghi hanno confrontato le osservazioni di J1429+5447 fatte con NuSTAR con le osservazioni dello stesso quasar condotte da Chandra. I ricercatori hanno scoperto che le emissioni di raggi X di J1429+5447 sono raddoppiate nel periodo di quattro mesi. Sebbene questo sia già un tempo incredibilmente breve in termini cosmici in un universo che ha 165,6 miliardi di mesi, l’effetto distorsivo del tempo della relatività significa che i quattro mesi di cambiamenti per questo quasar sono stati compressi in sole due settimane per questo buco nero supermassiccio primordiale. “Poiché il getto si muove a quasi la velocità della luce, gli effetti della teoria della relatività speciale di Einstein accelerano e amplificano la variabilità,” ha spiegato Meg Urry della Facoltà di Arti e Scienze di Yale. “Questo livello di variabilità dei raggi X, in termini di intensità e rapidità, è estremo. È quasi certamente spiegato da un getto puntato verso di noi — un cono in cui le particelle vengono trasportate fino a un milione di anni luce di distanza dal buco nero supermassiccio centrale.”
Non solo questa osservazione potrebbe aiutare gli scienziati a decifrare i segreti della reionizzazione, ma potrebbe essere la chiave per scoprire più buchi neri supermassicci primordiali e scoprire come sono cresciuti così tanto. “Trovare più buchi neri supermassicci che ospitano potenzialmente getti solleva la questione di come questi buchi neri siano cresciuti così tanto in un tempo così breve e quale possa essere la connessione con i meccanismi di innesco dei getti,” ha concluso Marcotulli.