Negli ultimi decenni, gli astronomi sono stati in grado di guardare più lontano nell'Universo (e anche indietro nel tempo), quasi agli inizi dell'Universo. In tal modo, hanno imparato molto su alcune delle prime galassie nell'Universo e sulla loro successiva evoluzione. Tuttavia, ci sono ancora alcune cose che sono ancora vietate, come quando apparvero per la prima volta galassie con buchi neri supermassicci (SMBH) e getti massicci.
Secondo recenti studi dell'International School for Advanced Studies (SISSA) e un team di astronomi dal Giappone e da Taiwan forniscono nuove informazioni su come i buchi neri supermassicci iniziarono a formarsi a soli 800 milioni di anni dopo il Big Bang e getti relativistici a meno di 2 miliardi di anni dopo. Questi risultati fanno parte di un caso crescente che mostra come oggetti massicci nel nostro Universo si siano formati prima di quanto pensassimo.
Gli astronomi conoscono gli SMBH da oltre mezzo secolo. Col tempo, si resero conto che la maggior parte delle galassie di massa (compresa la Via Lattea) le hanno al centro. Anche il ruolo che svolgono nell'evoluzione delle galassie è stato oggetto di studio, con gli astronomi moderni che hanno concluso che sono direttamente correlati al tasso di formazione stellare nelle galassie.
Allo stesso modo, gli astronomi hanno scoperto che gli SMBH hanno dischi di accrescimento stretti intorno a loro dove gas e polvere sono accelerati per avvicinarsi alla velocità della luce. Questo fa sì che il centro di alcune galassie diventi così luminoso - quelli che sono noti come nuclei galattici attivi (AGN) - che eclissano le stelle nei loro dischi. In alcuni casi, questi dischi di accrescimento portano anche a getti di materiale caldo che possono essere visti da miliardi di anni luce di distanza.
Secondo i modelli convenzionali, le galassie non avevano abbastanza tempo per sviluppare buchi neri centrali quando l'Universo aveva meno di un miliardo di anni (circa 13 miliardi di anni fa). Tuttavia, recenti osservazioni hanno dimostrato che i buchi neri si stavano già formando al centro delle galassie al momento. Affrontando ciò, un team di scienziati della SISSA ha proposto un nuovo modello che offre una possibile spiegazione.
Per il loro studio, guidato da Lumen Boco - un dottorato di ricerca. studente dell'Institute for Fundamental Physics of the Universe (IFPU) - il team ha iniziato con il noto fatto che gli SMBH crescono nelle regioni centrali delle prime galassie. Questi oggetti, i progenitori delle galassie ellittiche oggi, avevano un'altissima concentrazione di gas e un tasso estremamente intenso di formazione di nuove stelle.
Le prime generazioni di stelle in queste galassie sono state di breve durata e si sono rapidamente evolute in buchi neri che erano relativamente piccoli, ma significativi in numero. Il denso gas che li circondava portò a un significativo attrito dinamico e li fece migrare rapidamente verso il centro della galassia. È qui che si sono uniti per creare i semi di buchi neri supermassicci, che sono cresciuti lentamente nel tempo.
Come ha spiegato il team di ricerca nel recente comunicato stampa SISS:
“Secondo le teorie classiche, un buco nero supermassiccio cresce al centro di una galassia catturando la materia circostante, principalmente gas,“ crescendola ”su se stessa e infine divorandola a un ritmo proporzionale alla sua massa. Per questo motivo, durante le fasi iniziali del suo sviluppo, quando la massa del buco nero è piccola, la crescita è molto lenta. Nella misura in cui, secondo i calcoli, per raggiungere la massa osservata, miliardi di volte quella del Sole, sarebbe richiesto un tempo molto lungo, persino maggiore dell'età del giovane Universo. "
Tuttavia, il modello matematico originale che hanno sviluppato ha mostrato che il processo di formazione dei buchi neri centrali potrebbe essere molto rapido nelle sue fasi iniziali. Ciò non solo offre una spiegazione per l'esistenza dei semi SMBH nell'Universo primordiale, ma concilia anche il momento della loro crescita con l'età nota dell'Universo.
In breve, il loro studio ha dimostrato che il processo di migrazione e fusione dei primi buchi neri può portare alla creazione di un seme SMBH da 10.000 a 100.000 masse solari in soli 50-100 milioni di anni. Come ha spiegato il team:
“[T] la crescita del buco nero centrale secondo la summenzionata crescita diretta del gas, prevista dalla teoria standard, diventerà molto veloce, perché la quantità di gas che riuscirà ad attrarre e assorbire diventerà immensa, e predominante su il processo che proponiamo. Tuttavia, proprio il fatto di partire da un seme così grande come previsto dal nostro meccanismo accelera la crescita globale del buco nero supermassiccio e ne consente la formazione, anche nel Giovane Universo. In breve, alla luce di questa teoria, possiamo affermare che 800 milioni di anni dopo il Big Bang i buchi neri supermassicci potrebbero già popolare il Cosmo ”.
Oltre a proporre un modello di lavoro per i semi SMBH osservati, il team ha anche suggerito un metodo per testarlo. Da un lato, ci sono le onde gravitazionali che potrebbero causare queste fusioni, che potrebbero essere identificabili usando i rilevatori di onde gravitazionali come Advanced LIGO / Virgo e caratterizzati dal futuro telescopio Einstein.
Inoltre, le successive fasi di sviluppo degli SMBH sono qualcosa che potrebbe essere indagato da missioni come l'antenna spaziale per interferenze laser (LISA) dell'ESA, che dovrebbe essere lanciata intorno al 2034. Allo stesso modo, un'altra squadra di astronomi ha recentemente utilizzato l'Atacama Matrice di millimetro / submillimetro (ALMA) per affrontare un altro mistero sulle galassie, motivo per cui alcuni hanno getti e altri no.
Queste correnti in rapido movimento di materia ionizzata, che viaggiano a velocità relativistiche (una frazione della velocità della luce), sono state osservate emanare dal centro di alcune galassie. Questi getti sono stati collegati al tasso di formazione stellare di una galassia a causa del modo in cui espellono la materia che altrimenti collasserebbe per formare nuove stelle. In altre parole, questi getti svolgono un ruolo nell'evoluzione delle galassie, proprio come gli SMBH.
Per questo motivo, gli astronomi hanno cercato di saperne di più su come i getti del buco nero e le nuvole gassose hanno interagito nel tempo. Sfortunatamente, è stato difficile osservare questo tipo di interazioni durante il primo Universo. Usando l'Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), un team di astronomi è riuscito a ottenere la prima immagine risolta di nuvole gassose disturbate provenienti da un quasar molto distante.
Lo studio che descrive i loro risultati, condotto dal Prof. Kaiki Taro Inoue dell'Università di Kindai, è apparso di recente nella Lettere astrofisiche del diario. Come hanno spiegato Inoue e i suoi colleghi, i dati ALMA hanno rivelato giovani getti bipolari provenienti da MG J0414 + 0534, un quasar situato a circa 11 miliardi di anni luce dalla Terra. Questi risultati mostrano che esistevano galassie con SMBH e getti quando il Big Bang aveva meno di 3 miliardi di anni.
Oltre ad ALMA, il team ha fatto affidamento su una tecnica nota come lente gravitazionale, in cui la gravità di una galassia interveniente ingrandisce la luce proveniente da un oggetto distante. Grazie a questo "telescopio cosmico" e all'alta risoluzione di ALMA, il team è stato in grado di osservare le nuvole gassose disturbate attorno a MG J0414 + 0534 e determinare che erano causate da giovani getti emanati da un SMBH al centro della galassia.
Come ha spiegato Kouichiro Nakanishi, professore associato al progetto presso l'Osservatorio astronomico nazionale del Giappone / SOKENDAI, in un comunicato stampa ALMA:
"Combinando questo telescopio cosmico e le osservazioni ad alta risoluzione di ALMA, abbiamo ottenuto una visione eccezionalmente nitida, che è 9.000 volte migliore della vista umana. Con questa risoluzione estremamente elevata, siamo stati in grado di ottenere la distribuzione e il movimento delle nuvole gassose attorno ai getti espulsi da un buco nero supermassiccio. "
Queste osservazioni hanno anche mostrato che il gas veniva colpito nel punto in cui seguiva la direzione dei getti, causando il movimento violento delle particelle e l'accelerazione a velocità fino a 600 km / s (370 mps). Inoltre, queste nuvole gassose colpite e gli stessi getti erano molto più piccoli delle dimensioni di una galassia tipica a questa età.
Da questo, il team ha concluso che stavano assistendo a una fase molto precoce dell'evoluzione del jet nella galassia MG J0414 + 0534. Se vere, queste osservazioni hanno permesso al team di assistere a un processo evolutivo chiave nelle galassie durante l'Universo primordiale. Come riassumeva Inoue:
“MG J0414 + 0534 è un esempio eccellente grazie alla giovinezza dei getti. Abbiamo trovato prove rivelatrici di una significativa interazione tra getti e nuvole gassose anche nella primissima fase evolutiva dei getti. Penso che la nostra scoperta aprirà la strada a una migliore comprensione del processo evolutivo delle galassie nell'Universo primordiale. "
Insieme, questi studi dimostrano che due dei più potenti fenomeni astronomici nell'Universo sono emersi prima del previsto. Questa scoperta offre anche agli astronomi l'opportunità di esplorare come questi fenomeni si sono evoluti nel tempo e il ruolo che hanno giocato nell'evoluzione dell'Universo.
