Grazie alle capacità notevolmente migliorate dei telescopi di oggi, gli astronomi hanno esplorato più a fondo il cosmo e più indietro nel tempo. In tal modo, sono stati in grado di affrontare alcuni misteri di vecchia data su come l'Universo si è evoluto dal Big Bang. Uno di questi misteri è come i buchi neri supermassicci (SMBH), che svolgono un ruolo cruciale nell'evoluzione delle galassie, formati durante il primo Universo.
Utilizzando il Very Large Telescope (VLT) dell'ESO in Cile, un team internazionale di astronomi osservò le galassie mentre apparivano circa 1,5 miliardi di anni dopo il Big Bang (circa 12,5 miliardi di anni fa). Sorprendentemente, hanno osservato grandi serbatoi di idrogeno gassoso freddo che avrebbero potuto fornire una "fonte di cibo" sufficiente per gli SMBH. Questi risultati potrebbero spiegare come gli SMBH sono cresciuti così rapidamente durante il periodo noto come Dawn cosmica.
Il team era guidato dal Dr. Emanuele Paolo Farina del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) e dal Max Planck Institute for Astrophysics (MPA). A lui si sono uniti i ricercatori di MPIA e MPA, European Southern Observatory (ESO), UC Santa Barbara, Arcetri Astrophysical Observatory, Astrophysics and Space Science Observatory di Bologna e Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPEP).
Per decenni, gli astronomi hanno studiato gli SMBH, che sono al centro della maggior parte delle galassie e sono identificati dal loro Active Galatic Nuclei (AGN). Questi nuclei, noti anche come quasar, possono emettere più energia e luce rispetto al resto delle stelle della galassia messe insieme. Ad oggi, il più distante osservato è ULAS J1342 + 0928, che si trova a 13,1 miliardi di anni luce di distanza.
Dato che si stima che le prime stelle si siano formate appena 100.000 anni dopo il Big Bang (circa 13,8 miliardi di anni fa), ciò significa che gli SMBH devono essersi formati rapidamente dalle prime stelle per morire. Fino ad ora, tuttavia, gli astronomi non avevano trovato polvere e gas in quantità sufficientemente elevate durante l'Universo primordiale per spiegare questa rapida crescita.
Inoltre, precedenti osservazioni condotte con l'Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) hanno rivelato che le prime galassie contenevano molta polvere e gas, che alimentavano la rapida formazione di stelle. Questi risultati hanno indicato che non sarebbe rimasto molto materiale per alimentare i buchi neri, il che ha solo approfondito il mistero di come anche loro siano cresciuti così rapidamente.
Per ovviare a questo, Farina e i suoi colleghi hanno fatto affidamento sui dati raccolti dallo strumento Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) del VLT per esaminare 31 quasar a una distanza di circa 12,5 miliardi di anni luce (osservando così come apparivano 12,5 miliardi di anni fa). Questo rende il loro sondaggio uno dei più grandi campioni di quasar di questo primo periodo dell'Universo. Ciò che hanno scoperto sono state 12 nuvole di idrogeno estese e sorprendentemente dense.
Queste nuvole di idrogeno sono state identificate dal loro caratteristico bagliore alla luce UV. Data la distanza e l'effetto del redshift (dove la lunghezza d'onda della luce viene allungata a causa dell'espansione cosmica), i telescopi terrestri percepiscono il bagliore come luce rossa. Come ha spiegato Farina in un comunicato stampa MPIA:
“La spiegazione più probabile per il gas brillante è il meccanismo di fluorescenza. L'idrogeno converte la radiazione ricca di energia del quasar in luce con una lunghezza d'onda specifica, che è evidente da un barlume.”
Le nuvole di idrogeno fresco e denso - che erano diverse miliardi di volte la massa del Sole - formavano aloni attorno alle prime galassie che si estendevano per 100.000 anni luce dai buchi neri centrali. Di solito, rilevare tali nuvole attorno ai quasar (che sono intensamente luminosi) è piuttosto difficile. Ma grazie alla sensibilità dello strumento MUSE - che Farina ha descritto come "un punto di svolta" - la squadra li ha trovati piuttosto rapidamente.
Come ha affermato Alyssa Drake, ricercatrice dell'MPIA che ha contribuito allo studio:
“Con gli studi attuali, stiamo appena iniziando a studiare come i primi buchi neri supermassicci sono stati in grado di svilupparsi così rapidamente. Ma nuovi strumenti come MUSE e il futuro James Webb Space Telescope ci stanno aiutando a risolvere questi entusiasmanti enigmi.”
Il team ha scoperto che questi aloni di gas erano strettamente legati alle galassie, fornendo la perfetta "fonte di cibo" per sostenere sia la rapida formazione di stelle che la crescita di buchi neri supermassicci. Queste osservazioni risolvono efficacemente il mistero di come i buchi neri supermassicci possano esistere così presto nella storia dell'Universo. Come riassume Farina:
“Ora siamo in grado di dimostrare, per la prima volta, che le galassie primordiali hanno abbastanza cibo nei loro ambienti per sostenere sia la crescita dei buchi neri supermassicci sia la vigorosa formazione stellare. Questo aggiunge un pezzo fondamentale al puzzle che gli astronomi stanno costruendo per immaginare come si siano formate le strutture cosmiche più di 12 miliardi di anni fa.”
In futuro, gli astronomi avranno strumenti ancora più sofisticati con cui studiare galassie e SMBH nell'Universo primordiale, che dovrebbero rivelare ancora più dettagli sulle antiche nuvole di gas. Ciò include l'Extremely Large Telescope (ELT) dell'ESO, nonché i telescopi spaziali come il James Webb Space Telescope (JWST).
Lo studio che descrive i risultati del team è apparso nel numero del 20 dicembre di Il diario astrofisico.
