Il JWST ha individuato buchi neri giganti in tutto l’universo primordiale

Come ogni oggetto, i buchi neri richiedono tempo per crescere e formarsi. E come un bambino alto 6 piedi, i buchi neri giganteschi di Fan erano troppo grandi per la loro età: l’universo non era abbastanza grande perché potessero accumulare miliardi di soli di peso. Per spiegare quei bambini troppo cresciuti, i fisici furono costretti a considerare due opzioni sgradevoli.

Il primo era che le galassie di Fan all’inizio erano piene di buchi neri standard, di massa approssimativamente stellare, del tipo che le supernove spesso lasciano dietro di sé. Questi poi sono cresciuti sia fondendosi che inghiottendo il gas e la polvere circostanti. Normalmente, se un buco nero festeggia in modo abbastanza aggressivo, un’effusione di radiazioni ne spinge via i bocconi. Ciò ferma la frenesia alimentare e stabilisce un limite di velocità per la crescita del buco nero che gli scienziati chiamano limite di Eddington. Ma è un soffitto morbido: un costante torrente di polvere potrebbe plausibilmente superare l’effusione di radiazioni. Tuttavia, è difficile immaginare di sostenere una crescita “super-Eddington” abbastanza a lungo da spiegare le bestie di Fan: avrebbero dovuto ingrossarsi in modo impensabile.

O forse i buchi neri possono nascere incredibilmente grandi. Le nubi di gas nell’universo primordiale potrebbero essere collassate direttamente in buchi neri pesanti molte migliaia di soli, producendo oggetti chiamati semi pesanti. Anche questo scenario è difficile da digerire, perché nubi di gas così grandi e grumose dovrebbero fratturarsi in stelle prima di formare un buco nero.

Una delle priorità di JWST è valutare questi due scenari scrutando il passato e catturando gli antenati più deboli delle galassie di Fan. Questi precursori non sarebbero proprio quasar, ma galassie con buchi neri leggermente più piccoli in procinto di diventare quasar. Con JWST, gli scienziati hanno le migliori possibilità di individuare buchi neri che hanno appena iniziato a crescere, oggetti abbastanza giovani e abbastanza piccoli da consentire ai ricercatori di stabilire il loro peso alla nascita.

Questo è uno dei motivi per cui un gruppo di astronomi del Cosmic Evolution Early Release Science Survey, o CEERS, guidato da Dale Kocevski del Colby College, ha iniziato a fare gli straordinari quando hanno notato per la prima volta segni di buchi neri così giovani che spuntavano nei giorni successivi a Natale.

“È impressionante quanti di questi ce ne siano”, ha scritto Jeyhan Kartaltepe, un astronomo del Rochester Institute of Technology, durante una discussione su Slack.

“Tanti piccoli mostri nascosti”, ha risposto Kocevski.

Una folla crescente di mostri

Negli spettri del CEERS, alcune galassie sono immediatamente emerse come potenziali nascondigli di piccoli buchi neri: i piccoli mostri. A differenza dei loro fratelli più vanigliati, queste galassie emettevano luce che non arrivava con una sola tonalità nitida per l’idrogeno. Invece, la linea dell’idrogeno è stata macchiata, o ampliata, in una gamma di tonalità, indicando che alcune onde luminose sono state schiacciate mentre le nubi di gas orbitanti acceleravano verso JWST (proprio come un’ambulanza in avvicinamento emette un lamento crescente quando le onde sonore della sua sirena vengono compresse) mentre altre le onde si allungavano mentre le nuvole volavano via. Kocevski e i suoi colleghi sapevano che i buchi neri erano praticamente l’unico oggetto in grado di lanciare idrogeno in quel modo.

“L’unico modo per vedere l’ampia componente del gas in orbita attorno al buco nero è guardare attraverso il barile della galassia e direttamente nel buco nero”, ha detto Kocevski.

Entro la fine di gennaio, il team del CEERS era riuscito a produrre una prestampa che descriveva due dei “piccoli mostri nascosti”, come li chiamavano. Quindi il gruppo ha deciso di studiare sistematicamente una fascia più ampia delle centinaia di galassie raccolte dal loro programma per vedere quanti buchi neri ci fossero là fuori. Ma furono presi da un altro team, guidato da Yuichi Harikane dell’Università di Tokyo, poche settimane dopo. Il gruppo di Harikane ha esaminato 185 delle galassie CEERS più distanti e ne ha trovate 10 con ampie righe dell’idrogeno: il probabile lavoro di buchi neri centrali da milioni di masse solari con spostamenti verso il rosso tra 4 e 7. Poi, a giugno, un’analisi di altre due indagini condotte da Jorryt Matthee del Politecnico Federale di Zurigo ha identificato altri 20 “piccoli punti rossi” con ampie righe dell’idrogeno: buchi neri che ruotano intorno al redshift 5. Un’analisi pubblicata all’inizio di agosto ne ha annunciate un’altra dozzina, alcuni dei quali potrebbero addirittura essere in procinto di essere crescere fondendosi.