Gli astronomi hanno scoperto prove di un getto straordinariamente lungo di particelle provenienti da un buco nero supermassiccio nell’universo primordiale, utilizzando l’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA.
Se confermato, sarebbe il buco nero supermassiccio più distante con un getto rilevato nei raggi X. Proveniente da una galassia a circa 12,7 miliardi di anni luce dalla Terra, il jet può aiutare a spiegare come i più grandi buchi neri si siano formati in un momento molto precoce della storia dell’universo.
La sorgente del getto è un quasar – un buco nero supermassiccio in rapida crescita – chiamato PSO J352.4034-15.3373 (PJ352-15 in breve), che si trova al centro di una giovane galassia. È uno dei due quasar più potenti rilevati nelle onde radio nei primi miliardi di anni dopo il big bang, ed è circa un miliardo di volte più massiccio del Sole.
In che modo i buchi neri supermassicci sono stati in grado di crescere così rapidamente per raggiungere una massa così enorme in questa prima epoca dell’universo? Questa è una delle domande chiave dell’astronomia di oggi.
Nonostante la loro potente gravità e la loro temibile reputazione, i buchi neri non inevitabilmente tirano in tutto ciò che si avvicina a loro. Il materiale che orbita attorno a un buco nero in un disco deve perdere velocità ed energia prima che possa cadere più verso l’interno per attraversare il cosiddetto orizzonte degli eventi, il punto di non ritorno. I campi magnetici possono causare un effetto frenante sul disco mentre alimentano un getto, che è un modo chiave per il materiale nel disco di perdere energia e, quindi, migliorare il tasso di crescita dei buchi neri.
“Se un parco giochi si sta muovendo troppo velocemente, è difficile per un bambino spostarsi verso il centro, quindi qualcuno o qualcosa deve rallentare la corsa”, ha detto Thomas Connor del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA a Pasadena, in California, che ha guidato lo studio. “Intorno ai buchi neri supermassicci, pensiamo che i getti possano togliere abbastanza energia in modo che il materiale possa cadere verso l’interno e il buco nero possa crescere.”
Gli astronomi dovevano osservare PJ352-15 per un totale di tre giorni usando la visione acuta di Chandra per rilevare le prove del getto a raggi X. L’emissione di raggi X è stata rilevata a circa 160.000 anni luce di distanza dal quasar lungo la stessa direzione di getti molto più corti precedentemente visti nelle onde radio dal Very Long Baseline Array. In confronto, l’intera Via Lattea si estende su circa 100.000 anni luce.
PJ352-15 rompe un paio di diversi record astronomici. In primo luogo, il getto più lungo precedentemente osservato dal primo miliardo di anni dopo il big bang era lungo solo circa 5.000 anni luce, corrispondente alle osservazioni radio di PJ352-15. In secondo luogo, PJ352-15 è circa 300 milioni di anni luce più lontano del getto a raggi X più distante registrato prima di esso..
“La lunghezza di questo jet è significativa perché significa che il buco nero supermassiccio che lo alimenta è cresciuto da un considerevole periodo di tempo”, ha detto il co-autore Eduardo Bañados del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania. “Questo risultato sottolinea come gli studi a raggi X sui quasar distanti forniscano un modo critico per studiare la crescita dei buchi neri supermassicci più distanti.”
La luce rilevata da questo getto è stata emessa quando l’universo aveva solo 0,98 miliardi di anni, meno di un decimo della sua età attuale. A questo punto, l’intensità della radiazione cosmica di fondo rimasta dal big bang era molto maggiore di quanto non sia oggi.
Mentre gli elettroni nel getto volano lontano dal buco nero vicino alla velocità della luce, si muovono e si scontrano con i fotoni che fanno la radiazione cosmica di fondo, aumentando l’energia dei fotoni nella gamma di raggi X che deve essere rilevata da Chandra. In questo scenario, i raggi X sono significativamente aumentati di luminosità rispetto alle onde radio. Ciò concorda con l’osservazione che la grande funzione a getto a raggi X non ha emissioni radio associate.
“Il nostro risultato mostra che le osservazioni a raggi X possono essere uno dei modi migliori per studiare i quasar con getti nell’universo primordiale”, ha detto il co-autore Daniel Stern, anche lui di JPL. “O per dirla in un altro modo, le osservazioni a raggi X in futuro potrebbero essere la chiave per sbloccare i segreti del nostro passato cosmico.”
Un articolo che descrive questi risultati è stato accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Journal e una prestampa è disponibile online. Gli altri coautori del documento sono Chris Carilli (NRAO, Socorro, Nuovo Messico); Andrew Fabian (Università di Cambridge, Regno Unito); Emmanuel Momjian (NRAO); Sofía Rojas-Ruiz (MPIA); Roberto Decarli (INAF, Bologna, Italia); Emanuele Paolo Farina (Istituto Max Planck di Astrofisica, Garching, Germania); Chiara Mazzucchelli (ESO, Cile); Hannah P. Earnshaw (Caltech, Pasadena, California).
Il Marshall Space Flight Center della NASA gestisce il programma Chandra. Il Chandra X-ray Center dello Smithsonian Astrophysical Observatory controlla la scienza da Cambridge Massachusetts e le operazioni di volo da Burlington, Massachusetts.
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