I terribili due: il rilevamento di un buco nero nell'universo dei bambini

di Sahil Hegde | 6 luglio 2023 | Riepiloghi del quotidiano | 0 commenti

Titolo:Un piccolo e vigoroso buco nero nell'universo primordiale

Autori:Roberto Maiolino, Jan Scholtz, Joris Witstok, et al.

Istituzione del primo autore: Kavli Institute for Cosmology, Università di Cambridge, Cambridge, Regno Unito; Laboratorio Cavendish – Gruppo di Astrofisica, Università di Cambridge, Cambridge, Regno Unito; Dipartimento di Fisica e Astronomia, University College London, Londra, Regno Unito

Stato:presentato

Mentre ci avviciniamo al primo anniversario del rilascio delle prime immagini di JWST, è il momento perfetto per ripensare ad alcune delle sue grandi scoperte. Osservando nell'infrarosso, JWST è stato, in parte, progettato per studiare la formazione e l'evoluzione delle prime galassie nell'universo. Su questo fronte, ha superato le aspettative, infrangendo i record di distanza galattica e sfidando i nostri modelli sulla struttura e sulla demografia delle prime galassie. Un perfetto esempio di quanto sia potente JWST è nelle nuove informazioni che possiamo apprendere dal vecchio detentore del record (pre-JWST) per la galassia più distante, accattivantemente chiamata GN-z11.

Da quando è stata identificata fotometricamente come galassia candidata ad alto spostamento verso il rosso nel 2016, GN-z11 è stata oggetto di grande entusiasmo, soprattutto perché rappresentava la nostra visione più chiara della natura delle galassie nell’universo nascente. Non solo GN-z11 è stata la galassia con il redshift più elevato mai rilevata fino a quel momento (con uno spostamento verso il rosso di circa 11, collocandola solo a circa 400 milioni di anni dopo il Big Bang), ma è anche eccezionalmente luminosa per la sua età. E no, non intendo dire che fosse lettura a livello di scuola superiore, all'asilo. Cioè, è tre volte più luminosa di una tipica galassia a z~6-8, quando l’universo aveva già quasi un miliardo di anni e si prevede che le galassie saranno molto più grandi. GN-z11 è già stato discusso a lungo in altri morsi (come questi due sulla sua conferma spettroscopica e sulla sua origine), basati su osservazioni effettuate con il telescopio spaziale Hubble e altri studi da terra.

Dato tale interesse, GN-z11 è stato un obiettivo di osservazione naturale per alcuni dei primi programmi scientifici condotti da JWST. L'articolo di oggi approfondisce queste osservazioni e presenta prove per spiegare la notevole luminosità di questa galassia: forse c'è qualcosa che gioca a nascondino nella galassia e la fa brillare così intensamente!

Come rilevare un AGN ad alto z

Anche dalle osservazioni effettuate prima del lancio di JWST, GN-z11 è stata identificata come una galassia straordinariamente luminosa. Supponendo che tutta quella luce sia quella delle stelle, stimeremmo che la massa delle stelle nella galassia sia equivalente a circa un miliardo di soli – circa un fattore dieci più piccolo della massa stellare della Via Lattea – rendendola anche eccezionalmente massiccia data la sua età. Tuttavia, una possibile spiegazione per la sua sorprendente luminosità è che una grande frazione della luce sia prodotta da un buco nero supermassiccio in fase di accrescimento al centro della galassia (un cosiddetto nucleo galattico attivo, o AGN). La presenza di un oggetto di grande luminosità come un AGN aiuterebbe a rilassare parte della tensione associata al rilevamento di GN-z11 e di altre galassie similmente “sopra” luminose nell’universo primordiale. Sebbene questa sia un'idea potenzialmente avvincente, per rispondere in modo definitivo a questa domanda è necessario il rilevamento preciso delle linee di emissione nello spettro della galassia: il banco di prova perfetto per gli strumenti ad alta risoluzione di JWST!

In effetti, gli autori di oggi utilizzano i dati raccolti con lo spettrografo del vicino infrarosso (NIRSpec) a bordo del JWST, che copre la gamma di lunghezze d'onda di 1-5 micron. Poiché la luce è stata allungata dall'espansione dell'universo, o cosmologicamente spostata verso il rosso, le linee osservate in questo intervallo vengono effettivamente emesse nell'ultravioletto o nell'ottico dagli atomi della galassia prima di essere allungate nell'infrarosso. In effetti, alcune delle linee più forti – quelle utilizzate per identificare lo spostamento verso il rosso della galassia – sono prodotte da transizioni elettroniche in atomi che sono stati ionizzati ed eccitati nel mezzo interstellare della galassia (ad esempio, in una regione HII). Pertanto, la rilevazione di diverse righe di emissione indica la presenza di particolari elementi e riflette lo stato di ionizzazione (leggi: frazione di atomi di un particolare tipo che sono stati ionizzati) del gas osservato.