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Un super buco nero da record ai confini dell’Universo

Un gruppo internazionale di astronomi guidati da Xue-Bing Wu della Peking University hanno confermato l’identificazione di un quasar contenente un buco nero supermassiccio di 12 miliardi di Soli e la cui luminosità supera quella della nostra stella di 420 trilioni di volte. L’oggetto si trova ad una distanza di 12,8 miliardi di anni e si tratta del quasar più luminoso mai osservato nell’Universo primordiale.

L’immagine, ottenuta con un seeing di 0,4″, mostra la morfologia puntiforme del quasar SDSS J0100+2802 osservato da LBT in banda K. La dimensione è 10″ × 10″. Credit: Nature/Wu et al. 2015

Per realizzare le osservazioni sono stati utilizzati alcuni tra i migliori telescopi terrestri tra cui il Lijiang Telescope (LJT) di 2,4m situato in Yunnan Cina, il telescopio a specchi multipli di 6,5m Multiple Mirror Telescope (MMT), il telescopio di 8,4m Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona, il telescopio di 6,5m Magellan Telescope presso il Las Campanas Observatory, Cile e il telescopio di 8,2m Gemini North Telescope in Mauna Kea, nelle Hawaii. Lo studio di questo oggetto estremamente antico, denominato con la sigla SDSS J0100+2802, già noto agli astronomi, rappresenta un passo importante per comprendere l’evoluzione dei quasar sin dalle epoche più remote, in questo caso appena 900 milioni di anni dopo il Big Bang, ossia in prossimità delle fasi finali di un importante periodo cosmico che gli astronomi chiamano “epoca della reionizzazione”. Infatti, quest’epoca segna l’inizio in cui la luce della prima generazione di galassie e quasar trasformò, per così dire, l’Universo determinando così la fine della “età oscura dell’Universo”. Inoltre, tale scoperta è anche sorprendente, infatti la domanda è: come è possibile che un quasar così luminoso e un buco nero così massiccio possano formarsi durante le fasi primordiali della storia cosmica e ad un’epoca così remota, immediatamente dopo che si sono formate le prime stelle e le prime galassie?

Il quasar SDSS J0100+2802 è quello che contiene il buco nero supermassiccio più grosso mai trovato in oggetti ad elevato redshift. Credits: Zhaoyu Li/Yunnan Observatory.

Identificati nel 1963 da Maarten Schmidt, i quasar sono gli oggetti più brillanti che conosciamo e la loro luminosità è dovuta all’accrescimento di materia attorno al super buco nero centrale. Grazie all’elevato potere esplorativo delle survey digitalizzate del cielo, gli astronomi hanno scoperto più di 200 mila quasar che sono distribuiti in un arco di tempo cosmico che va da 0,7 miliardi di anni, dopo il Big Bang, ad oggi con corrispondenti redshift z fino a 7,085. Gli oggetti che si trovano a distanze enormi permettono di studiare la struttura e l’evoluzione dell’Universo primordiale. Tuttavia, a dispetto della loro elevata luminosità essi appaiono deboli a causa della loro distanza e in più sono estremamente rari, un fatto che rende complicata la loro individuazione. Tra i 200 mila quasar che sono stati identificati, solo 40 si trovano a circa 12,7 miliardi di anni-luce e hanno redshift maggiori di 6. Ora, negli ultimi anni un gruppo di ricercatori guidati da Xue-Bing Wu hanno sviluppato un metodo, basato su dati fotometrici nella banda ottica e nel vicino infrarosso ripresi, in particolare, dalla Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e dal telescopio spaziale Wide-Field Infrared Explorer (WISE), per selezionare oggetti con z>5. Successivamente, gli scienziati hanno identificato gli oggetti dall’analisi spettroscopica trovando un grande numero di quasar distanti. SDSS J0100+2802 è uno di quelli ed è il più distante tra gli oggetti del campione che sono stati osservati in questo lavoro. L’analisi effettuata con i vari telescopi ha confermato che l’oggetto in questione è un quasar distante con un redshift z=6,3 e una luminosità 420 trilioni di volte superiore a quella del Sole, che è 7 volte maggiore di quella del quasar più distante conosciuto (che si trova a 13 miliardi di anni-luce). Il suo buco nero supermassiccio ha una massa di 12 miliardi di masse solari e ciò rende il quasar un oggetto da record, risultando il più luminoso della sua categoria contenente il buco nero più massiccio tra tutti i quasar ad elevato redshift che sono stati finora identificati.

La figura illustra lo spettro composito ottico/vicino IR del quasar J010012802 e il fit della riga del MgII. Nel pannello principale, la curva in nero mostra lo spettro ottico di LBT mentre quella in rosso è relativa ai telescopi Magellano e Gemini (bande J,H,K del vicino-IR da sinistra a destra). Il riquadro mostra il fit della riga del MgII (con FWHM of 5,130 +/- 150 km/s) e le righe di emissione del Fe II. Credit: Wu et al. 2015

Secondo gli autori, questo oggetto pone una serie di domande per quanto riguarda l’evoluzione dei buchi neri primordiali: Come mai i buchi neri supermassicci evolvono così rapidamente durante queste epoche remote? Qual è la relazione tra il buco nero centrale e l’ambiente circostante, inclusa la galassia ospite? Questo oggetto unico rappresenta una sorta di “laboratorio primordiale” poichè permette di studiare la formazione della galassia attorno al più grosso buco nero mai rivelato ai confini dell’Universo osservabile. Il prossimo passo sarà ora quello di svelare i segreti di questo quasar osservandolo ancora più in dettaglio attraverso i grandi telescopi spaziali, quali Hubble e Chandra, per far luce sui processi fisici che hanno portato alla formazione dei buchi neri supermassicci primordiali.

LBT: A Monster Black Hole Discovered at Cosmic Dawn
University of Arizona: Monster Black Hole Discovered at Cosmic Dawn
ANU: ASTRONOMERS FIND IMPOSSIBLY LARGE BLACK HOLE
Carnegie Science: Found: Ancient, super-bright quasar with massive black hole
Nature: An ultraluminous quasar with a twelve-billion-solar-mass black hole at redshift 6.30

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