JWST individua buchi neri giganti in tutto l'universo primordiale | Rivista Quanta

Anni prima che lei fosse anche sicura del James Webb Space Telescope verrebbe lanciato con successo, Christina Eiler iniziò a pianificare una conferenza per astronomi specializzati nell'universo primordiale. Sapeva che se - preferibilmente, quando - JWST avesse iniziato a fare osservazioni, lei e i suoi colleghi avrebbero avuto molto di cui parlare. Come una macchina del tempo, il telescopio poteva vedere più lontano e più lontano nel passato di qualsiasi altro strumento precedente.

Fortunatamente per Eilers (e il resto della comunità astronomica), la sua pianificazione non è stata inutile: JWST è stato lanciato e schierato senza intoppi, quindi ha iniziato a scrutare seriamente l'universo primordiale dal suo trespolo nello spazio a un milione di miglia di distanza.

A metà giugno, circa 150 astronomi si sono riuniti al Massachusetts Institute of Technology per la conferenza JWST “First Light” di Eilers. Non era passato un anno dal JWST iniziato a inviare immagini ritorno sulla Terra. E proprio come Eilers aveva anticipato, il telescopio stava già rimodellando la comprensione degli astronomi del primo miliardo di anni del cosmo.

Una serie di oggetti enigmatici spiccava nella miriade di presentazioni. Alcuni astronomi li chiamavano "piccoli mostri nascosti". Per altri, erano "piccoli puntini rossi". Ma qualunque sia il loro nome, i dati erano chiari: quando JWST fissa le giovani galassie - che appaiono come semplici macchie rosse nell'oscurità - vede un numero sorprendente di cicloni che si agitano al centro.

"Sembra esserci un'abbondante popolazione di fonti di cui non eravamo a conoscenza", ha detto Eilers, astronomo del MIT, "che non ci aspettavamo affatto di trovare".

Negli ultimi mesi, un torrente di osservazioni delle macchie cosmiche ha deliziato e confuso gli astronomi.

"Tutti parlano di questi puntini rossi", ha detto Ventilatore Xiaohui, un ricercatore dell'Università dell'Arizona che ha trascorso la sua carriera alla ricerca di oggetti distanti nell'universo primordiale.

La spiegazione più semplice per le galassie dal cuore di tornado è che i grandi buchi neri che pesano milioni di soli stanno facendo impazzire le nubi di gas. Questa scoperta è sia attesa che sconcertante. È previsto perché JWST è stato costruito, in parte, per trovare gli oggetti antichi. Sono gli antenati dei colossi buchi neri da un miliardo di soli che sembrano apparire nella documentazione cosmica inspiegabilmente presto. Studiando questi buchi neri precursori, come tre giovani record scoperti quest'anno, gli scienziati sperano di scoprire da dove provenissero i primi giganteschi buchi neri e forse identificare quale delle due teorie concorrenti descrive meglio la loro formazione: sono cresciuti molto rapidamente o erano semplicemente nati grandi? Eppure le osservazioni lasciano perplessi anche perché pochi astronomi si aspettavano che JWST trovasse così tanti buchi neri giovani e affamati - e le indagini li stanno scoprendo a dozzine. Nel tentativo di risolvere il precedente mistero, gli astronomi hanno scoperto una moltitudine di voluminosi buchi neri che potrebbero riscrivere teorie consolidate su stelle, galassie e altro ancora.

"Come teorico, devo costruire un universo", ha detto Marta Volonteri, un astrofisico specializzato in buchi neri presso l'Istituto di astrofisica di Parigi. Volonteri e i suoi colleghi stanno ora lottando con l'afflusso di buchi neri giganti nel cosmo primordiale. "Se sono [reali], cambiano completamente l'immagine."

Una macchina del tempo cosmico

Le osservazioni del JWST stanno scuotendo l'astronomia in parte perché il telescopio è in grado di rilevare la luce che raggiunge la Terra da profondità nello spazio rispetto a qualsiasi macchina precedente.

"Abbiamo costruito questo telescopio assurdamente potente in 20 anni", ha detto Concedere Tremblay, astrofisico presso l'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Il punto centrale originariamente era quello di guardare in profondità nel tempo cosmico."

Uno degli obiettivi della missione è catturare le galassie nell'atto di formarsi durante il primo miliardo di anni dell'universo (fuori dai suoi circa 13.8 miliardi di anni di storia). Le prime osservazioni del telescopio della scorsa estate accennava a un universo giovane pieno di galassie straordinariamente mature, ma le informazioni che gli astronomi potevano ricavare da tali immagini erano limitate. Per comprendere veramente l'universo primordiale, gli astronomi avevano bisogno di qualcosa di più delle semplici immagini; desideravano ardentemente gli spettri di quelle galassie, i dati che arrivano quando il telescopio scompone la luce in arrivo in tonalità specifiche.

Gli spettri galattici, che JWST ha iniziato a inviare seriamente alla fine dello scorso anno, sono utili per due motivi.

In primo luogo, hanno permesso agli astronomi di stabilire l'età della galassia. La luce infrarossa raccolta da JWST è arrossata, o spostata verso il rosso, il che significa che mentre attraversa il cosmo, le sue lunghezze d'onda vengono allungate dall'espansione dello spazio. L'entità di tale spostamento verso il rosso consente agli astronomi di determinare la distanza di una galassia, e quindi quando originariamente ha emesso la sua luce. Le galassie vicine hanno un redshift quasi nullo. JWST può distinguere facilmente oggetti oltre un redshift di 5, che corrisponde a circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang. Gli oggetti con spostamenti verso il rosso più elevati sono significativamente più vecchi e più lontani.

In secondo luogo, gli spettri danno agli astronomi un'idea di ciò che sta accadendo in una galassia. Ogni tonalità segna un'interazione tra fotoni e specifici atomi (o molecole). Un colore ha origine da un atomo di idrogeno che lampeggia mentre si assesta dopo un urto; un altro indica atomi di ossigeno spinti e un altro azoto. Uno spettro è uno schema di colori che rivela di cosa è fatta una galassia e cosa stanno facendo quegli elementi, e JWST sta fornendo quel contesto cruciale per le galassie a distanze senza precedenti.

"Abbiamo fatto un enorme salto", ha detto Ayush Saxena, astronomo dell'Università di Oxford. Il fatto che "stiamo parlando della composizione chimica delle galassie con spostamento verso il rosso 9 è assolutamente straordinario".

(Redshift 9 è incredibilmente distante, corrispondente a un'epoca in cui l'universo aveva solo 0.55 miliardi di anni.)

Gli spettri galattici sono anche strumenti perfetti per trovare un importante perturbatore di atomi: giganteschi buchi neri che si nascondono nel cuore delle galassie. I buchi neri stessi sono oscuri, ma quando si nutrono di gas e polvere, lacerano gli atomi, facendoli irradiare colori rivelatori. Molto prima del lancio di JWST, gli astrofisici speravano che il telescopio li avrebbe aiutati a individuare quei modelli e trovare abbastanza dei buchi neri più grandi e più attivi dell'universo primordiale per risolvere il mistero di come si sono formati.

Troppo grande, troppo presto

Il mistero iniziò più di 20 anni fa, quando un team guidato da Fan ne individuò uno le galassie più lontane mai osservato: un quasar brillante, o una galassia ancorata a un buco nero supermassiccio attivo che pesa forse miliardi di soli. Aveva un redshift di 5, corrispondente a circa 1.1 miliardi di anni dopo il Big Bang. Con ulteriori spazzate del cielo, Fan e i suoi colleghi hanno ripetutamente battuto i propri record, spingendo la frontiera del redshift del quasar a 6 in 2001 e infine a 7.6 in 2021 - appena 0.7 miliardi di anni dopo il Big Bang.

Il problema era che creare buchi neri così giganteschi sembrava impossibile così presto nella storia cosmica.

Come ogni oggetto, i buchi neri richiedono tempo per crescere e formarsi. E come un bambino alto 6 piedi, i buchi neri supersize di Fan erano troppo grandi per la loro età: l'universo non era abbastanza vecchio da permettere loro di accumulare miliardi di soli di peso. Per spiegare quei bambini troppo cresciuti, i fisici sono stati costretti a prendere in considerazione due opzioni sgradevoli.

La prima è che le galassie di Fan sono inizialmente piene di buchi neri standard, di massa approssimativamente stellare, del tipo che spesso le supernove lasciano dietro di sé. Quelli poi sono cresciuti sia fondendosi che inghiottendo gas e polvere circostanti. Normalmente, se un buco nero banchetta in modo abbastanza aggressivo, un'emissione di radiazioni spinge via i suoi bocconi. Ciò interrompe la frenesia alimentare e stabilisce un limite di velocità per la crescita del buco nero che gli scienziati chiamano limite di Eddington. Ma è un soffitto morbido: un costante torrente di polvere potrebbe plausibilmente superare l'effusione di radiazioni. Tuttavia, è difficile immaginare di sostenere una tale crescita "super-Eddington" abbastanza a lungo da spiegare le bestie di Fan: avrebbero dovuto aumentare di volume in modo impensabile.

O forse i buchi neri possono nascere improbabilmente grandi. Le nubi di gas nell'universo primordiale potrebbero essere collassate direttamente in buchi neri del peso di molte migliaia di soli, producendo oggetti chiamati semi pesanti. Anche questo scenario è difficile da digerire, perché nuvole di gas così grandi e grumose dovrebbero fratturarsi in stelle prima di formare un buco nero.

Una delle priorità di JWST è valutare questi due scenari scrutando nel passato e catturando gli antenati più deboli delle galassie di Fan. Questi precursori non sarebbero proprio quasar, ma galassie con buchi neri un po' più piccoli in procinto di diventare quasar. Con JWST, gli scienziati hanno le migliori possibilità di individuare buchi neri che hanno appena iniziato a crescere: oggetti abbastanza giovani e abbastanza piccoli da consentire ai ricercatori di stabilire il loro peso alla nascita.

Questo è uno dei motivi per cui un gruppo di astronomi del Cosmic Evolution Early Release Science Survey, o CEERS, guidato da Dale Kocevski del Colby College, ha iniziato a fare gli straordinari quando hanno notato per la prima volta i segni di questi giovani buchi neri spuntare nei giorni successivi a Natale.

"È piuttosto impressionante quanti ce ne siano", ha scritto Jeyhan Kartaltepe, astronomo del Rochester Institute of Technology, durante una discussione su Slack.

"Un sacco di piccoli mostri nascosti", ha risposto Kocevski.

Una crescente folla di mostri

Negli spettri CEERS, alcune galassie saltarono immediatamente fuori nascondendo potenzialmente piccoli buchi neri, i piccoli mostri. A differenza dei loro fratelli più vanigliati, queste galassie emettevano luce che non arrivava con una sola sfumatura nitida per l'idrogeno. Invece, la linea dell'idrogeno è stata imbrattata, o allargata, in una gamma di tonalità, indicando che alcune onde luminose sono state schiacciate mentre le nubi di gas in orbita acceleravano verso JWST (proprio come un'ambulanza in avvicinamento emette un lamento crescente quando le onde sonore della sua sirena vengono compresse) mentre altre le onde si allungavano mentre le nuvole volavano via. Kocevski ei suoi colleghi sapevano che i buchi neri erano praticamente l'unico oggetto in grado di lanciare idrogeno in quel modo.

"L'unico modo per vedere l'ampia componente del gas in orbita attorno al buco nero è se stai guardando giù nel barilotto della galassia e dentro il buco nero", ha detto Kocevski.

Entro la fine di gennaio, il team CEERS era riuscito a sfornare una prestampa che descriveva due dei "piccoli mostri nascosti", come li chiamavano. Quindi il gruppo ha iniziato a studiare sistematicamente una fascia più ampia delle centinaia di galassie raccolte dal loro programma per vedere quanti buchi neri fossero là fuori. Ma sono stati scoperti da un'altra squadra, guidata da Yuichi Harikane dell'Università di Tokyo, poche settimane dopo. Il gruppo di Harikane ha cercato 185 delle più lontane galassie CEERS e trovato 10 con ampie linee di idrogeno - il probabile lavoro di buchi neri centrali di milioni di masse solari a spostamenti verso il rosso tra 4 e 7. Poi, a giugno, un'analisi di altri due sondaggi condotti da Jorryt Matthee del Politecnico federale di Zurigo ne ha individuati altri 20”piccoli punti rossi” con ampie linee di idrogeno: buchi neri che si agitano attorno al redshift 5. Un'analisi pubblicato all'inizio di agosto ha annunciato un'altra dozzina, alcuni dei quali potrebbero anche essere in procinto di crescere mediante la fusione.

"Ho aspettato queste cose per così tanto tempo", ha detto Volonteri. "È stato incredibile."

Ma pochi astronomi hanno previsto l'enorme numero di galassie con un grande buco nero attivo. I baby quasar nel primo anno di osservazioni di JWST sono più numerosi di quanto previsto dagli scienziati sulla base del censimento dei quasar adulti — tra 10 e 100 volte più abbondante.

"È sorprendente per un astronomo che ci siamo allontanati di un ordine di grandezza o anche di più", ha detto Eilers, che ha contribuito all'articolo sui puntini rossi.

"Sembrava sempre che ad un elevato spostamento verso il rosso questi quasar fossero solo la punta dell'iceberg", ha detto Stéphanie Juneau, astronoma del NOIRLab della National Science Foundation e coautrice dell'articolo sui piccoli mostri. "Potremmo scoprire che sotto, questa popolazione [più debole] è persino più grande del normale iceberg".

Questi due vanno a quasi 11

Ma per intravedere le bestie nella loro infanzia, gli astronomi sanno che dovranno spingersi ben oltre i redshift di 5 e guardare più in profondità nel primo miliardo di anni dell'universo. Di recente, diversi team hanno individuato buchi neri che si alimentano a distanze davvero senza precedenti.

Nel mese di marzo, un'analisi CEERS guidata da Rebecca Larson, un astrofisico dell'Università del Texas, Austin, ha scoperto un'ampia linea di idrogeno in una galassia con uno spostamento verso il rosso di 8.7 (0.57 miliardi di anni dopo il Big Bang), stabilendo un nuovo record per il buco nero attivo più distante mai scoperto.

Ma il record di Larson è caduto solo pochi mesi dopo, dopo che gli astronomi con la collaborazione JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) hanno messo le mani sullo spettro di GN-z11. Al redshift 10.6, GN-z11 si trovava al limite più debole della visione del telescopio spaziale Hubble e gli scienziati erano ansiosi di studiarlo con occhi più acuti. A febbraio, JWST aveva trascorso più di 10 ore osservando GN-z11, e i ricercatori hanno potuto dire subito che la galassia era una stravaganza. La sua abbondanza di azoto era "completamente fuori di testa", ha detto Jan Scholz, un membro JADES presso l'Università di Cambridge. Vedere così tanto azoto in una giovane galassia è stato come incontrare un bambino di 6 anni con l'ombra delle cinque, soprattutto se si confronta l'azoto con le scarse riserve di ossigeno della galassia, un atomo più semplice che le stelle dovrebbero assemblare per prime.

La collaborazione JADES è seguita da altre 16 ore di osservazione JWST all'inizio di maggio. I dati aggiuntivi hanno affinato lo spettro, rivelando che due sfumature visibili di azoto erano estremamente irregolari: una brillante e una debole. Il modello, ha detto il team, indicava che GN-z11 era pieno di dense nubi di gas concentrate da a temibile forza gravitazionale.

"È stato allora che ci siamo resi conto che stavamo fissando il disco di accrescimento del buco nero", ha detto Scholtz. Questo allineamento fortuito spiega perché la galassia lontana fosse abbastanza luminosa da essere vista da Hubble in primo luogo.

Buchi neri estremamente giovani e affamati come GN-z11 sono gli oggetti esatti che gli astrofisici speravano risolvessero il dilemma di come sono nati i quasar di Fan. Ma in un colpo di scena, si scopre che nemmeno il superlativo GN-z11 è abbastanza giovane o abbastanza piccolo da consentire ai ricercatori di determinare in modo definitivo la sua massa alla nascita.

"Dobbiamo iniziare a rilevare le masse dei buchi neri con uno spostamento verso il rosso molto più elevato, anche di 11", ha affermato Scholtz. "Non avevo idea che lo avrei detto un anno fa, ma eccoci qui."

Un pizzico di pesantezza

Fino ad allora, gli astronomi ricorrono a trucchi più sottili per trovare e studiare i buchi neri appena nati, trucchi come telefonare a un amico - o a un altro telescopio spaziale di punta - per chiedere aiuto.

All'inizio del 2022, Volonteri, Tremblay e i loro collaboratori hanno iniziato a puntare periodicamente l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA su un ammasso di galassie che sapevano sarebbe stato nella breve lista di JWST. Il cluster agisce come una lente. Piega il tessuto dello spazio-tempo e ingrandisce le galassie più lontane dietro di esso. Il team voleva vedere se qualcuna di quelle galassie sullo sfondo stesse emettendo raggi X, un tradizionale biglietto da visita di un vorace buco nero.

Nel corso di un anno, Chandra ha fissato la lente cosmica per due settimane - una delle sue campagne di osservazione più lunghe finora - e ha raccolto 19 fotoni di raggi X provenienti da una galassia chiamata UHZ1, a un redshift di 10.1. Quei 19 fotoni ad alto numero di ottano molto probabilmente provenivano da un buco nero in crescita che esisteva meno di mezzo miliardo di anni dopo il Big Bang, rendendolo di gran lunga la sorgente di raggi X più distante mai rilevata.

Combinando i dati di JWST e Chandra, il gruppo ha appreso qualcosa di strano e informativo. Nella maggior parte delle galassie moderne, quasi tutta la massa è nelle stelle, con meno di una percentuale circa nel buco nero centrale. Ma in UHZ1, la massa sembra equamente divisa tra le stelle e il buco nero, che non è il modello che gli astronomi si sarebbero aspettati per l'accrescimento di super-Eddington.

Una spiegazione più plausibile, ha suggerito la squadra, è che il buco nero centrale di UHZ1 è nato quando una nuvola gigante si è accartocciata in un enorme buco nero, lasciando dietro di sé poco gas per creare le stelle. Queste osservazioni "potrebbero essere coerenti con un seme pesante", ha detto Tremblay. È "folle pensare a queste gigantesche sfere di gas che crollano".

È un universo di buchi neri

Alcuni dei risultati specifici della folle confusione degli spettri negli ultimi mesi sono destinati a cambiare man mano che gli studi passano attraverso la revisione tra pari. Ma la conclusione generale - che il giovane universo ha prodotto molto rapidamente una miriade di buchi neri giganti e attivi - è probabile che sopravviva. Dopotutto, i quasar di Fan dovevano provenire da qualche parte.

"I numeri esatti ei dettagli di ciascun oggetto rimangono incerti, ma è molto convincente che stiamo trovando una vasta popolazione di buchi neri in accrescimento", ha detto Eilers. "JWST li ha rivelati per la prima volta, ed è molto eccitante."

Per gli specialisti dei buchi neri, è una rivelazione che si prepara da anni. Recenti studi di galassie adolescenti disordinate nell'universo moderno ha lasciato intendere che i buchi neri attivi nelle giovani galassie venivano trascurati. E i teorici hanno lottato perché i loro modelli digitali producevano continuamente universi con molti più buchi neri di quelli che gli astronomi vedevano in quello reale.

"Ho sempre detto che la mia teoria è sbagliata e l'osservazione è giusta, quindi ho bisogno di correggere la mia teoria", ha detto Volonteri. Eppure forse la discrepanza non indicava un problema con la teoria. "Forse questi puntini rossi non sono stati presi in considerazione", ha detto.

Ora che i buchi neri ardenti si stanno rivelando qualcosa di più di semplici cammei cosmici in un universo in via di maturazione, gli astrofisici si chiedono se riformulare gli oggetti in ruoli teorici più magri potrebbe alleviare qualche altro grattacapo.

Dopo aver studiato alcune delle prime immagini di JWST, alcuni astronomi lo hanno subito sottolineato galassie sembrava incredibilmente pesante, considerando la loro giovinezza. Ma almeno in alcuni casi, un buco nero accecante potrebbe portare i ricercatori a sovrastimare il peso delle stelle circostanti.

Un'altra teoria che potrebbe aver bisogno di modifiche è la velocità con cui le galassie sfornano stelle, che tende ad essere troppo alta nelle simulazioni di galassie. Kocevski ipotizza che molte galassie attraversino una fase di mostri nascosti che determina un rallentamento della formazione stellare; iniziano avvolti nella polvere che crea le stelle, e poi il loro buco nero diventa abbastanza potente da disperdere la materia stellare nel cosmo, rallentando la formazione stellare. "Potremmo guardare a quello scenario in gioco", ha detto.

Mentre gli astronomi sollevano il velo dell'universo primordiale, le intuizioni accademiche sono più numerose delle risposte concrete. Per quanto JWST stia già cambiando il modo in cui gli astronomi pensano ai buchi neri attivi, i ricercatori sanno che le vignette cosmiche rivelate dal telescopio quest'anno non sono che aneddoti rispetto a ciò che verrà. Campagne di osservazione come JADES e CEERS hanno trovato dozzine di probabili buchi neri che li fissano da frammenti di cielo grandi circa un decimo della luna piena. Molti altri piccoli buchi neri attendono l'attenzione del telescopio e dei suoi astronomi.

"Tutti questi progressi sono stati compiuti nei primi 12-10 mesi", ha detto Saxena. "Ora abbiamo [JWST] per i prossimi nove o XNUMX anni".