Con l’aiuto del potente strumento GNIRS sul telescopio Gemini North, un team di astronomi ha scoperto una coppia di quasar da doppio record. Fin dal primo istante dopo il Big Bang, l’Universo si è espanso. Ciò significa che l’Universo primordiale era considerevolmente più piccolo e le galassie formatesi in precedenza avevano maggiori probabilità di interagire e fondersi. Le fusioni di galassie alimentano la formazione di quasar, nuclei galattici estremamente luminosi in cui gas e polvere che cadono in un buco nero supermassiccio centrale emettono enormi quantità di luce. Quindi, quando guardano indietro all’Universo primordiale, gli astronomi si aspetterebbero di trovare numerose coppie di quasar in stretta vicinanza l’una all’altra mentre le loro galassie madri subiscono fusioni. Tuttavia, sono rimasti sorpresi nel non trovarne nessuno, fino ad ora.
Con l’aiuto del telescopio Gemini North, metà dell’International Gemini Observatory, che è supportato in parte dalla U.S. National Science Foundation e gestito da NSF NOIRLab, un team di astronomi ha scoperto una coppia di quasar in fusione osservati solo 900 milioni di anni dopo il Big Bang. Non solo questa è la coppia di quasar in fusione più distante mai trovata, ma anche la prima coppia confermata nel periodo della storia dell’Universo noto come Alba Cosmica.
L’Epoca della Reionizzazione
L’Alba Cosmica si è estesa da circa 50 milioni di anni a un miliardo di anni dopo il Big Bang. Durante questo periodo iniziarono ad apparire le prime stelle e galassie, riempiendo per la prima volta di luce l’Universo oscuro. L’arrivo delle prime stelle e galassie diede il via a una nuova era nella formazione del cosmo nota come Epoca della Reionizzazione.
L’Epoca della Reionizzazione, che ebbe luogo all’interno dell’Alba Cosmica, fu un periodo di transizione cosmologica. A partire da circa 400 milioni di anni dopo il Big Bang, la luce ultravioletta delle prime stelle, galassie e quasar si diffuse in tutto il cosmo, interagendo con il mezzo intergalattico e spogliando gli atomi di idrogeno primordiali dell’Universo dei loro elettroni in un processo noto come ionizzazione. L’Epoca della Reionizzazione fu un’epoca critica nella storia dell’Universo che segnò la fine delle età oscure cosmiche e seminò le grandi strutture che osserviamo oggi nel nostro Universo locale.
Il ruolo dei quasar
Per comprendere il ruolo esatto che i quasar hanno svolto durante l’Epoca della Reionizzazione, gli astronomi sono interessati a trovare e studiare i quasar che popolano questa era antica e lontana. “Le proprietà statistiche dei quasar nell’Epoca della Reionizzazione ci dicono molte cose, come il progresso e l’origine della reionizzazione, la formazione di buchi neri supermassicci durante l’Alba Cosmica e la prima evoluzione delle galassie madri dei quasar”, ha affermato Yoshiki Matsuoka, astronomo dell’Università di Ehime in Giappone e autore principale dello studio che descrive questi risultati, pubblicato su Astrophysical Journal Letters.
Lo studio
Circa 300 quasar sono stati scoperti nell’Epoca della Reionizzazione, ma nessuno di loro è stato trovato in coppia. Questo fino a quando Matsuoka e il suo team non hanno esaminato le immagini scattate con l’Hyper Suprime-Cam sul telescopio Subaru e una debole macchia rossa ha attirato la loro attenzione. “Mentre esaminavo le immagini dei candidati quasar, ho notato due sorgenti simili ed estremamente rosse una accanto all’altra”, ha affermato Matsuoka. “La scoperta è stata puramente fortuita”.
Il team non era sicuro che si trattasse di una coppia di quasar, poiché i candidati quasar distanti sono contaminati da numerose altre fonti, come stelle e galassie in primo piano e gli effetti della lente gravitazionale. Per confermare la natura di questi oggetti, il team ha condotto una spettroscopia di follow-up utilizzando la Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) sul telescopio Subaru e il Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS) sul Gemini North. Gli spettri, che scompongono la luce emessa da una sorgente nelle sue lunghezze d’onda componenti, ottenuti con GNIRS sono stati fondamentali per caratterizzare la natura della coppia di quasar e delle loro galassie ospiti.
“Quello che abbiamo imparato dalle osservazioni GNIRS è che i quasar sono troppo deboli per essere rilevati nel vicino infrarosso, persino con uno dei più grandi telescopi a terra“, ha affermato Matsuoka. Ciò ha permesso al team di stimare che una parte della luce rilevata nell’intervallo di lunghezza d’onda ottica non proviene dai quasar stessi, ma dalla formazione stellare in corso nelle loro galassie madri. Il team ha anche scoperto che i due buchi neri sono enormi, essendo ciascuno 100 milioni di volte la massa del Sole. Questo, unito alla presenza di un ponte di gas che si estende tra i due quasar, suggerisce che loro e le loro galassie madri stiano subendo una fusione su larga scala.
“L’esistenza di quasar in fusione nell’Epoca della Reionizzazione è stata prevista da molto tempo. Ora è stata confermata per la prima volta“, ha affermato Matsuoka.
L’Epoca della Reionizzazione collega la prima formazione della struttura cosmica all’Universo complesso che osserviamo miliardi di anni dopo. Studiando oggetti distanti di questo periodo, gli astronomi ottengono preziose informazioni sul processo di reionizzazione e sulla formazione dei primi oggetti nell’Universo.
Altre scoperte come questa potrebbero essere all’orizzonte con il Legacy Survey of Space and Time (LSST) decennale del Vera C. Rubin Observatory, a partire dal 2025, che è pronto a rilevare milioni di quasar utilizzando le sue capacità di imaging profondo.
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