Da un comunicato stampa di Caltech:
L'acqua è davvero ovunque. Guardando da una distanza di 30 miliardi di miliardi di miglia in un quasar — uno degli oggetti più luminosi e violenti del cosmo — i ricercatori hanno trovato una massa di vapore acqueo che è almeno 140 trilioni di volte quella di tutta l'acqua negli oceani del mondo combinati e 100.000 volte più massicci del sole.
Poiché il quasar è così lontano, la sua luce ha impiegato 12 miliardi di anni per raggiungere la Terra. Le osservazioni rivelano quindi un'epoca in cui l'universo aveva solo 1,6 miliardi di anni. "L'ambiente attorno a questo quasar è unico in quanto produce questa enorme massa d'acqua", afferma Matt Bradford, scienziato del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, e associato in visita presso Caltech. "È un'altra dimostrazione che l'acqua è pervasiva in tutto l'universo, anche nei primissimi tempi." Bradford guida uno dei due team internazionali di astronomi che hanno descritto i risultati dei loro quasar in documenti separati che sono stati accettati per la pubblicazione in Astrophysical Journal Letters.
Leggi il documento di Bradford e del team qui.
Un quasar è alimentato da un enorme buco nero che consuma costantemente un disco circostante di gas e polvere; mentre mangia, il quasar emette enormi quantità di energia. Entrambi i gruppi di astronomi hanno studiato un particolare quasar chiamato APM 08279 + 5255, che ospita un buco nero 20 miliardi di volte più massiccio del sole e produce quanta energia di mille trilioni di soli.
Poiché gli astronomi si aspettavano che il vapore acqueo fosse presente anche nell'universo primordiale, la scoperta dell'acqua non è di per sé una sorpresa, afferma Bradford. C'è vapore acqueo nella Via Lattea, sebbene la quantità totale sia 4.000 volte meno massiccia rispetto al quasar, poiché la maggior parte dell'acqua della Via Lattea è congelata sotto forma di ghiaccio.
Tuttavia, il vapore acqueo è un importante gas in traccia che rivela la natura del quasar. In questo particolare quasar, il vapore acqueo è distribuito attorno al buco nero in una regione gassosa che attraversa centinaia di anni luce (un anno luce è di circa sei trilioni di miglia) e la sua presenza indica che il gas è insolitamente caldo e denso da astronomico standard. Sebbene il gas sia un freddo -53 gradi Celsius (–63 gradi Fahrenheit) ed è 300 trilioni di volte meno denso dell'atmosfera terrestre, è ancora cinque volte più caldo e da 10 a 100 volte più denso di ciò che è tipico delle galassie come la Via Lattea.
Il vapore acqueo è solo uno dei molti tipi di gas che circondano il quasar e la sua presenza indica che il quasar sta bagnando il gas sia con i raggi X che con le radiazioni infrarosse. L'interazione tra la radiazione e il vapore acqueo rivela le proprietà del gas e il modo in cui il quasar lo influenza. Ad esempio, l'analisi del vapore acqueo mostra come la radiazione riscalda il resto del gas. Inoltre, le misurazioni del vapore acqueo e di altre molecole, come il monossido di carbonio, suggeriscono che c'è abbastanza gas per alimentare il buco nero fino a quando non cresce a circa sei volte la sua dimensione. Se ciò accadrà non è chiaro, dicono gli astronomi, poiché parte del gas potrebbe finire per condensarsi in stelle o potrebbe essere espulso dal quasar.
Il team di Bradford fece le proprie osservazioni a partire dal 2008, usando uno strumento chiamato Z-Spec presso il Caltech Submillimeter Observatory (CSO), un telescopio di 10 metri vicino alla cima del Mauna Kea alle Hawaii. Z-Spec è uno spettrografo estremamente sensibile, che richiede temperature raffreddate a 0,06 gradi Celsius sopra lo zero assoluto. Lo strumento misura la luce in una regione dello spettro elettromagnetico chiamata banda millimetrica, che si trova tra le lunghezze d'onda dell'infrarosso e delle microonde. La scoperta dell'acqua da parte dei ricercatori è stata possibile solo perché la copertura spettrale di Z-Spec è 10 volte più grande di quella dei precedenti spettrometri che operano a queste lunghezze d'onda. Gli astronomi hanno fatto osservazioni di follow-up con la Combined Array for Research in Millimeter-Wave Astronomy (CARMA), una serie di antenne radio nelle Inyo Mountains della California meridionale.
Questa scoperta evidenzia i vantaggi dell'osservazione nelle lunghezze d'onda millimetriche e submillimetriche, affermano gli astronomi. Il campo si è sviluppato rapidamente negli ultimi due o tre decenni e per raggiungere il pieno potenziale di questa linea di ricerca, gli astronomi - compresi gli autori dello studio - stanno ora progettando CCAT, un telescopio di 25 metri da costruire nel deserto di Atacama in Cile. CCAT consentirà agli astronomi di scoprire alcune delle prime galassie nell'universo. Misurando la presenza di acqua e altri importanti gas in traccia, gli astronomi possono studiare la composizione di queste galassie primordiali.
Il secondo gruppo, guidato da Dariusz Lis, ricercatore associato di fisica presso la Caltech e vicedirettore del CSO, ha utilizzato l'interferometro Plateau de Bure nelle Alpi francesi per trovare acqua. Nel 2010, il team di Lis stava cercando tracce di fluoruro di idrogeno nello spettro di APM 08279 + 5255, ma ha rilevato casualmente un segnale nello spettro del quasar che indicava la presenza di acqua. Il segnale era ad una frequenza corrispondente alla radiazione emessa quando l'acqua passa da uno stato di energia superiore a uno di energia inferiore. Mentre il team di Lis ha trovato un solo segnale a una singola frequenza, l'ampia larghezza di banda di Z-Spec ha permesso a Bradford e ai suoi colleghi di scoprire l'emissione di acqua a molte frequenze. Queste transizioni multiple dell'acqua hanno permesso al team di Bradford di determinare le caratteristiche fisiche del gas del quasar e la massa dell'acqua.
