Verso l’infinito e oltre: uno sguardo a un buco nero appena nato

La scoperta della galassia Infinity fornisce la prova di un nuovo percorso per la formazione dei buchi neri.

Gli astronomi che utilizzano l’Osservatorio WM Keck a Maunakea, nell’isola delle Hawaii, hanno scoperto una stranezza cosmica che hanno soprannominato la galassia “Infinito”, il risultato della collisione di due galassie per formare una forma simile al simbolo dell’infinito.

Al suo centro, avvolto in una nube di gas, potrebbe giacere qualcosa che non è mai stato visto prima: un buco nero supermassiccio di nuova formazione.

La scoperta è notevole non solo per la sua forma, ma per ciò che potrebbe rivelare: un nuovo percorso per la formazione dei buchi neri, un indizio su come alcuni buchi neri nell’universo primordiale siano cresciuti così massicci così rapidamente e quello che potrebbe essere il primo assaggio diretto di un buco nero supermassiccio nei momenti successivi alla sua formazione.

“Pensiamo di assistere alla nascita di un buco nero supermassiccio, qualcosa che non è mai stato visto prima”, ha detto Pieter van Dokkum, professore di astronomia e fisica all’Università di Yale e autore principale del nuovo studio.

“Questo è quanto di più vicino a una pistola fumante potremo mai ottenere”.

Lo studio, condotto dall’Università di Yale, è stato pubblicato oggi su The Astrophysical Journal Letters.

“Tutto è insolito in questa galassia”, ha detto. “Non solo sembra molto strano, ma ha anche questo buco nero supermassiccio che sta accumulando molto materiale. La sorpresa più grande di tutte è stata che il buco nero non si trovava all’interno di nessuno dei due nuclei delle galassie in fusione, ma nel mezzo. Ci siamo chiesti: come possiamo dare un senso a tutto questo?”.

Van Dokkum e l’astronomo Gabriel Brammer dell’Università di Copenaghen hanno fatto la scoperta iniziale mentre studiavano le immagini della survey COSMOS-Web, che fa parte degli archivi di dati del telescopio spaziale James Webb della NASA.

Le osservazioni di follow-up dei dati di Webb sono state condotte utilizzando i dati del National Radio Astronomy Observatory’s Very Large Array, del Chandra X-ray Observatory e del Keck Observatory, che hanno permesso al team di effettuare diverse osservazioni chiave per l’interpretazione dell’oggetto.

Utilizzando lo spettrometro LRIS (Low-Resolution Imaging Spectrometer) di Keck, van Dokkum e il team sono stati in grado di ottenere gli spettri che hanno fornito misurazioni essenziali, tra cui la distanza dalla galassia Infinity, la posizione del buco nero appena formato e la massa del buco nero: circa un milione di volte la massa del sole e simile alla massa del buco nero al centro della nostra Via Lattea.

“Questo è un ottimo esempio del ruolo cruciale che l’Osservatorio Keck svolge nel seguire gli oggetti insoliti individuati nelle immagini del JWST”, ha detto van Dokkum.

“Grazie alla flessibilità del modello di osservazione di Keck, in cui gli astronomi possono decidere in tempo reale cosa osservare, siamo in grado di agire rapidamente e perseguire obiettivi ad alto rischio e ad alto rendimento che altri osservatori, con programmi fissi, semplicemente non possono. La partnership Keck/Yale è stata assolutamente fondamentale per questa e molte altre scoperte, e questa pipeline di scoperte si rafforzerà solo con l’avvento di Roman e della prossima generazione di potenti strumenti Keck”.

Trovare un buco nero che non si trova nel nucleo di una galassia massiccia è, di per sé, insolito. Scoprire poi che il buco nero si era appena formato è senza precedenti.

La scoperta ha anche implicazioni per i recenti dibattiti sulla formazione dei buchi neri nell’universo primordiale.

Una teoria – la teoria dei “semi di luce” – è che i piccoli buchi neri si siano formati quando i nuclei delle stelle sono collassati ed esplosi. Alla fine, quei buchi neri “seme di luce” si sono fusi in buchi neri supermassicci.

La costruzione di un buco nero supermassiccio richiede molto tempo in questa teoria; tuttavia, il telescopio Webb ha già identificato buchi neri supermassicci in un punto dell’universo che potrebbe essere troppo presto per essere spiegato dalla teoria dei “semi di luce”.

Rimane la teoria dei “semi pesanti”, che suggerisce che i grandi buchi neri possono formarsi “in una volta sola” dal collasso di grandi nubi di gas. Il punto critico per la teoria dei “semi pesanti” è stato che le nubi di gas che collassano di solito formano stelle.

Van Dokkum ha detto che la galassia Infinity potrebbe mostrare come le condizioni estreme – comprese quelle nell’universo primordiale suggerite dalla teoria dei “semi pesanti” – potrebbero portare alla creazione di un buco nero.

“In questo caso, due galassie a disco si sono scontrate, formando le strutture ad anello delle stelle che vediamo”, ha detto van Dokkum.

“Durante la collisione, il gas all’interno di queste due galassie è stato scosso e compresso. Questa compressione potrebbe essere sufficiente per formare un nodo denso che poi è collassato in un buco nero.

“Mentre tali collisioni sono eventi rari, si pensa che densità di gas altrettanto estreme siano state abbastanza comuni nelle prime epoche cosmiche, quando le galassie hanno iniziato a formarsi”, ha aggiunto.

Van Dokkum e i suoi colleghi hanno sottolineato che sono necessarie ulteriori ricerche per confermare i risultati e ciò che fanno presagire per la formazione dei buchi neri.

“Una cosa che vorremmo fare è avvicinarci al buco nero, per vedere cosa sta facendo il gas nelle sue immediate vicinanze”, ha detto van Dokkum. “Più tardi questo autunno, utilizzeremo l’ottica adattiva del Keck Observatory per condurre questa ricerca”.

“A parte questo”, aggiunge van Dokkum, “la palla è nel campo dei teorici! Abbiamo bisogno di modelli al computer che simulino le condizioni estreme durante la collisione, per vedere se – nelle simulazioni – si forma un buco nero. In una galassia inimmaginabilmente lontana dalla Terra, l’universo ha appena creato un buco nero. E così facendo, ci ha dato un indizio su come è nata la nostra Via Lattea”.

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