Scoperto un nuovo oggetto cosmico che può rispondere a un enigma insoluto

Un oggetto distante scoperto di recente, che gli astronomi hanno soprannominato “The Cliff”, potrebbe risolvere un enigma posto da alcune delle prime osservazioni dell’universo lontano con il telescopio spaziale James Webb, legate alla scoperta di una popolazione di oggetti soprannominati “piccoli punti rossi”. Si pensava che quegli oggetti fossero galassie giovani, ma con una massa così considerevole che sarebbe stato difficile da spiegare negli attuali modelli di evoluzione cosmica. “The Cliff” ha portato a una proposta che potrebbe risolvere questo problema: i piccoli punti rossi non sono galassie, ma invece buchi neri supermassicci che sono incorporati in uno spesso involucro di gas. I ricercatori chiamano questa nuova classe di oggetti una “stella buco nero”.

Nell’estate del 2022, meno di un mese dopo che il James Webb Space Telescope (JWST) aveva iniziato a produrre le sue prime immagini scientifiche, gli astronomi hanno notato qualcosa di inaspettato: piccoli punti rossi.

Nelle immagini scattate con la sensibilità senza precedenti del JWST, questi oggetti celesti estremamente compatti e molto rossi si mostravano molto chiaramente nel cielo, e sembravano essercene un numero considerevole.

Il JWST aveva apparentemente scoperto un’intera nuova popolazione di oggetti astronomici, che erano sfuggiti al telescopio spaziale Hubble.

Quest’ultima parte non sorprende. “Molto rosso” è il gergo astronomico per gli oggetti che emettono luce prevalentemente a lunghezze d’onda più lunghe.

I piccoli punti rossi emettono luce prevalentemente a lunghezze d’onda superiori a 10 milionesimi di metro, nel medio infrarosso.

Hubble non può osservare a lunghezze d’onda così lunghe. JWST, d’altra parte, è progettato per coprire questa gamma.

Ulteriori dati hanno mostrato che questi oggetti erano davvero lontani. Anche gli esemplari più vicini erano così lontani che la loro luce aveva impiegato 12 miliardi di anni per arrivare fino a noi.

Gli astronomi guardano sempre nel passato e vediamo un oggetto la cui luce impiega 12 miliardi di anni per raggiungerci come 12 miliardi di anni fa, appena 1,8 miliardi di anni dopo il Big Bang.

È qui che le cose si fanno rischiose. Per interpretare le osservazioni astronomiche, è necessario un modello dell’oggetto in questione.

Quando gli astronomi indicano i loro dati e dicono: “Questa è una stella”, l’affermazione è affidabile solo perché gli astronomi hanno modelli fisici robusti di ciò che è una stella – in breve, una gigantesca palla di plasma tenuta insieme dalla propria gravità, che produce energia dalla fusione nucleare nel suo centro.

È inoltre necessaria una buona comprensione dell’aspetto delle stelle, sia nelle immagini che nella decomposizione della luce simile a un arcobaleno nota come spettro.

A sua volta, se si vede un oggetto con il giusto tipo di aspetto e il giusto tipo di spettro, si può affermare con sicurezza che si tratta di una stella.

I piccoli punti rossi non sembravano entrare in nessuna delle solite fessure, così gli astronomi hanno deciso di guardare oltre gli oggetti standard.

Una delle prime interpretazioni offerte è stata una bomba in sé e per sé: in questa interpretazione, i piccoli punti rossi erano galassie estremamente ricche di stelle, la cui luce era arrossata da enormi quantità di polvere circostante.

All’interno del nostro vicinato cosmico, se mettessimo il nostro sistema solare in un cubo di un anno luce di lato, quel cubo conterrebbe solo una stella: il nostro Sole.

Nelle galassie ricche di stelle che si suppone spieghino i piccoli punti rossi, un cubo di quelle dimensioni conterrebbe diverse centinaia di migliaia di stelle.

Nella nostra galassia, la Via Lattea, l’unica regione così densa di stelle è il nucleo centrale, ma che contiene solo circa un millesimo delle stelle necessarie in quei piccoli modelli a punto rosso.

L’enorme numero di stelle coinvolte, pari a centinaia di miliardi di masse solari per un valore inferiore a un miliardo di anni dopo il Big Bang, ha sollevato importanti domande sulla comprensione di base degli astronomi dell’evoluzione delle galassie: potremmo anche spiegare come queste galassie abbiano prodotto così tante stelle, così rapidamente?

Il co-autore Bingjie Wang della Penn State University spiega: “Il cielo notturno di una galassia del genere sarebbe abbagliante. Se questa interpretazione è valida, implica che le stelle si sono formate attraverso processi straordinari che non sono mai stati osservati prima”.

L’interpretazione stessa rimase controversa.

La comunità si divise in due campi: un gruppo che favoriva l’interpretazione delle molte stelle più polvere, e un altro che interpretava i piccoli punti rossi come nuclei galattici attivi, ma anche oscurati da copiosa polvere.

I nuclei galattici attivi sono ciò che vediamo quando un flusso costante di materia cade sul buco nero centrale di una galassia, formando un cosiddetto disco di accrescimento estremamente caldo attorno all’oggetto centrale.

Ma questa seconda interpretazione ha avuto i suoi limiti.

Ci sono marcate differenze tra gli spettri dei piccoli puntini rossi e quelli dei nuclei galattici attivi arrossati dalla polvere che gli astronomi avevano precedentemente osservato.

Inoltre, questa interpretazione richiederebbe masse estremamente grandi per i buchi neri supermassicci al centro di quegli oggetti – e sorprendentemente molti di questi, dato il gran numero di piccoli punti rossi che sono stati trovati.

C’era anche un consenso: per risolvere il puzzle, gli astronomi avrebbero avuto bisogno di più e diversi dati osservativi. Le osservazioni originali del JWST avevano fornito immagini.

Per testare le interpretazioni fisiche, gli astronomi hanno bisogno di spettri: informazioni dettagliate su quanta luce emette un oggetto a diverse lunghezze d’onda.

Per i telescopi di punta, c’è una notevole competizione per il tempo di osservazione.

Una volta che divenne chiaro quanto fossero interessanti i puntini rossi, numerosi astronomi in tutto il mondo iniziarono a chiedere il tempo per osservarli più da vicino.

Una di queste applicazioni è stato il programma RUBIES formulato da Anna de Graaff del Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg e da un team internazionale di colleghi, dove l’acronimo sta per “Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey”.

L’applicazione RUBIES ha avuto successo e, tra gennaio e dicembre 2024, gli astronomi hanno utilizzato quasi 60 ore di tempo JWST per ottenere spettri da un totale di 4500 galassie lontane, uno dei più grandi set di dati spettroscopici ottenuti con JWST fino ad oggi.

Come dice Raphael Hviding (MPIA): “In quel set di dati, abbiamo trovato 35 piccoli punti rossi.

La maggior parte di essi era già stata trovata utilizzando immagini JWST disponibili pubblicamente.

Ma quelli che erano nuovi si sono rivelati gli oggetti più estremi e affascinanti”.

La cosa più interessante di tutte è stata la descrizione dello spettro di un oggetto che gli astronomi hanno trovato nel luglio 2024.

Gli astronomi hanno soprannominato l’oggetto in questione “The Cliff”, e sembrava essere una versione estrema della popolazione di piccoli punti rossi – e proprio per questo un promettente banco di prova per le interpretazioni di cosa fossero i piccoli punti rossi.

La scogliera è così lontana da noi che la sua luce ha impiegato 11,9 miliardi di anni per raggiungerci (redshift z=3,55).

“The Cliff” prende il nome dalla caratteristica più importante del suo spettro: un forte aumento di quella che sarebbe la regione dell’ultravioletto, a lunghezze d’onda appena un po’ più corte di quella della luce visibile viola.

“Vorrebbe” perché il nostro universo si sta espandendo: una conseguenza diretta è che, per un oggetto distante come The Cliff, quella lunghezza d’onda si allunga a quasi cinque volte il suo valore originale, atterrando esattamente nel vicino infrarosso (“redshift cosmologico”).

Un aumento prominente di questo tipo, a queste lunghezze d’onda, è noto come “rottura di Balmer”.

Le rotture di Balmer possono essere trovate negli spettri delle galassie ordinarie, dove di solito si vedono in galassie che formano poche o nessuna nuova stella in quel momento. Ma in questi casi, l’ascesa è molto meno ripida di The Cliff.

Con questa imperdibile, insolita caratteristica, The Cliff sembrava non rientrare in nessuna delle interpretazioni che erano state proposte per i puntini rossi. Ma De Graaff e i suoi colleghi volevano essere sicuri.

Hanno costruito diverse varianti di tutti i modelli che hanno cercato di proiettare piccoli punti rossi sia come galassie massicce di formazione stellare che come nuclei galattici attivi avvolti dalla polvere, hanno tentato di riprodurre lo spettro di The Cliff con ciascuno di essi, e hanno fallito ogni singola volta.

Su questa base, de Graaff e i suoi colleghi hanno sviluppato un modello che alcuni di loro hanno preso in considerazione per chiamare una “stella buco nero”, scritto come BH*: un nucleo galattico attivo, cioè un buco nero supermassiccio con un disco di accrescimento, ma circondato e arrossato non dalla polvere, ma in virtù del fatto di essere incorporato in uno spesso involucro di idrogeno gassoso.

Il BH* non è una stella in senso stretto, poiché non c’è un reattore a fusione nucleare al suo centro. Inoltre, il gas nell’involucro sta vorticando molto più violentemente (c’è una turbolenza molto più forte) che in qualsiasi normale atmosfera stellare.

Ma la fisica di base è simile: il nucleo galattico attivo riscalda l’involucro di gas circostante, proprio come il centro di una stella guidato dalla fusione nucleare riscalda gli strati esterni della stella, quindi l’aspetto esterno ha marcate somiglianze.

I modelli formulati da de Graaff e colleghi a questo punto sono prove di concetto: un lavoro pionieristico, ma non si adattano perfettamente.

Tuttavia, questi modelli di buchi neri descrivono i dati molto meglio di qualsiasi altro tipo di modello.

In particolare, la forma della scogliera che dà il nome nello spettro è ben spiegata assumendo un involucro di gas turbolento, denso e sferico attorno a un AGN.

Da questo punto di vista, The Cliff sarebbe un esempio estremo in cui la stella del buco nero centrale domina la luminosità dell’oggetto.

Per gli altri piccoli punti rossi, la loro luce sarebbe una miscela più uniforme della stella del buco nero centrale con la luce delle stelle e del gas nelle parti circostanti della galassia.

Se una stella buco nero è davvero la soluzione, potrebbe avere un altro potenziale vantaggio.

Sistemi di questo tipo erano stati precedentemente studiati in un contesto puramente teorico, con buchi neri di massa intermedia molto più leggeri.

Lì, la configurazione con il buco nero centrale e l’involucro di gas circostante è stata vista come un modo per far crescere particolarmente rapidamente la massa dei buchi neri centrali di una galassia molto precoce.

Dato che il JWST ha trovato prove solide della presenza di buchi neri di grande massa nell’universo primordiale, una configurazione che potrebbe spiegare la crescita di massa ultraveloce dei buchi neri sarebbe un’aggiunta gradita agli attuali modelli di evoluzione delle galassie.

Se le stelle supermassicce dei buchi neri possano fare lo stesso è ancora indeterminato, ma sarebbe un’intrigante espansione del loro ruolo se lo facessero!

Per quanto promettente possa sembrare, gli avvertimenti sono d’obbligo. Il nuovo risultato è nuovo di zecca.

Riferire su di esso è conforme alla pratica accettata di coprire i risultati scientifici una volta che sono stati pubblicati, o almeno accettati da, una rivista peer-reviewed.

Ma per sapere se questo diventerà una parte affidabile della visione astronomica dell’universo, dovremo aspettare almeno qualche altro anno.

Il risultato attuale rappresenta un importante passo avanti: il primo modello in grado di spiegare la forma insolita di The Cliff, la rottura di Balmer dell’oggetto estremo.

Come ogni passo avanti significativo, porta a nuove domande di ricerca aperte: come si è potuta formare una stella buco nero di questo tipo? Come si può sostenere l’insolita involucro di gas per un tempo più lungo?

(Dal momento che il buco nero divora il gas circostante, c’è bisogno di un meccanismo per “rifornire” l’involucro.) Come nascono le altre caratteristiche dello spettro di The Cliff?

Rispondere a queste domande richiede il contributo della modellistica astrofisica, ma è anche destinato a beneficiare di ulteriori osservazioni approfondite. In effetti, de Graaff e il suo team hanno già l’approvazione delle osservazioni di follow-up del JWST per piccoli punti rossi di particolare interesse, come The Cliff, prevista per il prossimo anno.

Queste osservazioni future faranno luce sul fatto che le stelle dei buchi neri siano davvero la spiegazione di come le galassie di oggi siano diventate quello che sono. A questo punto, questo risultato è una possibilità intrigante, ma tutt’altro che certa.

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