Il telescopio James Webb decifra i buchi neri nell'universo primordiale

Recenti osservazioni del telescopio spaziale James Webb di due quasar dell’inizio dell’universo rivelano importanti informazioni sulla relazione iniziale tra i buchi neri e le loro galassie, rispecchiando i rapporti di massa osservati nell’universo più recente.

Nuove immagini scattate dal James Webb Space Telescope (JWST) hanno rivelato, per la prima volta, la luce stellare di due enormi galassie che ospitano buchi neri in attiva crescita – i quasar – visti meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. I buchi neri hanno una massa circa un miliardo di volte quella del Sole, e le masse delle galassie che li ospitano sono circa cento volte maggiori, un rapporto simile a quello riscontrato nell’universo più giovane. Secondo un recente studio del 2016, una potente combinazione tra l’indagine ad ampio campo del telescopio Subaru e la sonda spaziale James Webb ha aperto un nuovo modo di studiare l’universo lontano. natura.

Le osservazioni dei buchi neri giganti hanno attirato l'attenzione degli astronomi negli ultimi anni. L'Event Horizon Telescope (EHT) ha iniziato a fotografare l'”ombra” dei buchi neri al centro delle galassie. Il Premio romanzo 2020 per la fisica è stato assegnato per le osservazioni del movimento stellare nel cuore di una galassia. via Lattea. Sebbene l’esistenza di tali buchi neri giganti sia ben accertata, nessuno ne conosce l’origine.

Gli astronomi hanno segnalato l'esistenza di buchi neri con una massa di un miliardo di masse solari durante il primo miliardo di anni dell'universo, quindi come hanno potuto questi buchi neri diventare così grandi quando l'universo era così giovane? Ancora più sconcertante è che le osservazioni nell’universo locale mostrano una chiara relazione tra la massa dei buchi neri supermassicci e le galassie più massicce in cui risiedono. Galassie e buchi neri hanno dimensioni completamente diverse, quindi cosa è venuto prima: buchi neri o galassie? Questo è un problema “dell’uovo o della gallina” a livello cosmico.

Immagine JWST NIRCam da 3,6 µm di HSC J2236+0032. L'immagine in miniatura, l'immagine del quasar e l'immagine della galassia ospite dopo aver sottratto la luce del quasar (da sinistra a destra). La scala dell'immagine è indicata in anni luce in ciascun pannello. Credito: Ding, Ono, Silverman et al.

Un team internazionale di ricercatori è guidato da Masafusa Ono, Kavli Fellow for Astrophysics presso il Kavli Institute for Astronomy and Astrophysicals (KIAA) dell'Università di Pechino, e Shuheng Ding, Research Fellow presso il Kavli Institute for Cosmic Physics and Mathematics (Kavli IPMU ). ) e John Silverman, un professore di Kavli presso l'IPMU, hanno deciso di rispondere a questa domanda utilizzando Telescopio spaziale James Webb (JWST), un telescopio spaziale di 6,5 metri sviluppato grazie ad una collaborazione internazionale tra… NASAIL Agenzia spaziale europea (ESA) e l'Agenzia spaziale canadese (CSA) e sono stati lanciati nel dicembre 2021.

I quasar sono luminosi, mentre le galassie che li ospitano sono deboli, il che ha reso difficile per i ricercatori rilevare la debole luce galattica nel bagliore del quasar, specialmente a lunghe distanze. “Trovare le galassie ospiti dei quasar con spostamento verso il rosso 6 è come cercare di individuare le lucciole in uno spettacolare spettacolo pirotecnico indossando occhiali appannati. Le galassie ospiti sono incredibilmente deboli e la risoluzione dell'immagine era molto limitata, anche con Telescopio spaziale Hubble“Il che rende rivelare la sua bellezza nascosta una vera sfida”, afferma Xuheng Ding.

Rappresentazione artistica del telescopio spaziale James Webb della NASA. Fonte immagine: NASA, ESA e Northrop Grumman

Il team ha osservato due quasar con il telescopio spaziale James Webb, HSC J2236+0032 e HSC J2255+0251, con spostamenti verso il rosso di 6,40 e 6,34 quando l'universo aveva circa 860 milioni di anni. Questi due quasar sono stati originariamente scoperti attraverso un'indagine su larga scala del telescopio Subaru da 8,2 metri, con il quale il gruppo di ricerca ha identificato fino ad oggi più di 160 quasar. Le luminosità relativamente basse di questi quasar li rendono obiettivi primari per misurare le proprietà della galassia che li ospita, e la scoperta riuscita degli ospiti rappresenta la prima epoca fino ad oggi in cui la luce stellare è stata rilevata in un quasar.

Immagini di quasar a lunghezze d'onda infrarosse di 3,56 e 1,50 micron sono state catturate utilizzando lo strumento NIRCam di JWST e le galassie ospiti sono diventate evidenti dopo un'attenta modellazione e sottrazione del bagliore derivante dall'accrescimento dei buchi neri. La firma stellare della galassia ospite è stata vista anche nello spettro catturato dal NIRSpec di JWST di J2236+0032, a sostegno della scoperta della galassia ospite. “Sono stato profondamente coinvolto nell'indagine Subaru sui quasar ad alto spostamento verso il rosso sin dai miei anni di dottorato presso l'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone. Sono estremamente orgoglioso del successo del rilevamento della luce stellare dei quasar HSC che abbiamo trovato con Subaru”, afferma Masafusa Onoe.

Il ricercatore del progetto Kavli IPMU Xuheng Ding, il professor John Silverman e il Kavli Institute for Astronomy and Astrofisica (PKU-KIAA) Masafusa Onoue, membro dell'ufficio di astrofisica di Kavli (da sinistra). Crediti: Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue

Attraverso le osservazioni, il team ha scoperto che… Buco nero La massa della galassia ospite è simile a quella osservata nell'universo più giovane. Il risultato suggerisce che la relazione tra i buchi neri e i loro ospiti esisteva già durante il primo miliardo di anni dopo l’esplosione la grande esplosione. Il team continuerà questo studio con un campione più ampio di quasar distanti, con l’obiettivo di limitare la storia della crescita coevolutiva dei buchi neri e delle loro galassie madri nel tempo cosmico. Queste osservazioni limiteranno i modelli della coevoluzione dei buchi neri e delle galassie che li ospitano.

Maggiori informazioni su questa scoperta su I ricercatori scoprono le galassie ospitanti quasar nell'universo primordiale.

Riferimento: “Detecting stellar light from quasar host galaxies at redshifts upper than 6” di Shuheng Ding, Masafusa Onui, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud Janke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Volontieri, Zoltan Heymann, Erham Tawfiq Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebecca Perry, Sarah E. Bosman, Connor Bottrell, Anna-Kristina Ehlers, Seiji Fujimoto, Melanie Haposet, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kishikawa, Toshihiro. Kawaguchi, Kotaro Kohno, Shin-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Liu, Toru Nagao, Roderick Overzer, Jan Torg Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasako, Yoshiki Toba, Benny Trachtenbrot, Maxim Trebich, Tommaso Trieu, Hideki Umehata, Bram B. Vennemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feig Wang e Jenny Yang, 28 giugno 2023, natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06345-5