Per la prima volta, gli astronomi sono riusciti a misurare direttamente la massa di un buco nero inattivo vissuto nell’Universo primordiale, aprendo una nuova finestra sulla formazione delle prime galassie e dei loro nuclei supermassicci. Il risultato, pubblicato sulla rivista Science, è stato ottenuto grazie al telescopio spaziale James Webb (JWST), che ha consentito di “pesare” un colosso cosmico di circa sei miliardi di masse solari situato al centro di una galassia osservata quando l’Universo aveva appena tre miliardi di anni. La scoperta è stata guidata da Andrew Newman della Carnegie Institution for Science e riguarda la galassia MRG-M0138, distante circa dieci miliardi di anni luce dalla Terra.
La difficoltà di studiare i buchi neri inattivi
A differenza dei quasar, che brillano intensamente perché alimentati da enormi quantità di materia in caduta verso il buco nero centrale, questo oggetto cosmico è oggi sostanzialmente inattivo. Proprio questa caratteristica rendeva finora impossibile determinarne con precisione la massa. I buchi neri attivi possono infatti essere studiati attraverso la radiazione prodotta dal gas che li circonda. Quando il nucleo è spento, gli astronomi devono ricorrere a tecniche molto più complesse basate sull’analisi dei movimenti delle stelle influenzate dalla gravità del buco nero. Finora questo approccio era stato applicato soltanto nell’Universo relativamente vicino. Lo stesso metodo è alla base della scoperta del buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea, premiata con il Nobel per la Fisica nel 2020.
Lo studio di MRG-M0138 con Webb
Nel caso di MRG-M0138, il telescopio James Webb ha beneficiato di un prezioso aiuto naturale: una lente gravitazionale. La galassia si trova infatti dietro un enorme ammasso di galassie che, grazie alla propria massa, agisce come una gigantesca lente cosmica deformando e amplificando la luce proveniente dall’oggetto più distante. Questo effetto ha reso la galassia circa trenta volte più grande e luminosa rispetto a come apparirebbe normalmente.
“Abbiamo potuto rilevare questo buco nero a una distanza di dieci miliardi di anni luce combinando la straordinaria capacità di osservazione del James Webb con una lente d’ingrandimento naturale fornita dall’Universo stesso“, spiega Andrew Newman. “Grazie a questa combinazione siamo riusciti a osservare direttamente la regione in cui la gravità del buco nero accelera il movimento delle stelle“.
Misurando la velocità delle stelle nelle zone centrali della galassia, il team ha calcolato che il buco nero possiede una massa circa sei miliardi di volte superiore a quella del Sole. Si tratta di uno degli oggetti più massicci mai identificati in una galassia quiescente e il primo per il quale sia stata ottenuta una misura diretta in un’epoca così remota della storia cosmica.
Nuove informazioni sul rapporto tra buchi neri e galassie
La scoperta fornisce anche nuove informazioni sul rapporto tra buchi neri e galassie. Nelle galassie vicine esiste infatti una stretta correlazione tra la massa del buco nero centrale e le proprietà della galassia ospite. Gli astronomi discutono da anni se questa relazione fosse già presente nelle prime fasi dell’Universo oppure si sia sviluppata successivamente. I risultati ottenuti suggeriscono che le galassie più dense dell’Universo giovane fossero anche i luoghi in cui i buchi neri crescevano più rapidamente. Secondo i ricercatori, MRG-M0138 potrebbe essere stata in passato un quasar estremamente luminoso. L’energia prodotta durante quella fase avrebbe progressivamente espulso o riscaldato il gas necessario alla formazione di nuove stelle, portando la galassia a spegnere la propria attività di formazione stellare.
La ricerca futura
Lo studio rappresenta soltanto il primo passo. Il team sta già analizzando altre galassie simili osservate dal James Webb. Nei prossimi anni missioni come Euclid e il Nancy Grace Roman Space Telescope individueranno migliaia di nuove lenti gravitazionali, mentre il Giant Magellan Telescope, attualmente in costruzione in Cile, permetterà di osservare con dettaglio ancora maggiore i moti stellari nelle galassie lontane. Secondo gli autori, l’estensione di queste misure a un numero crescente di galassie consentirà di ricostruire come si siano formati i più grandi buchi neri dell’Universo e quale ruolo abbiano avuto nell’evoluzione delle galassie. Una delle principali sfide dell’astrofisica moderna consiste infatti nel comprendere come oggetti così massicci siano riusciti a crescere così rapidamente nei primi miliardi di anni dopo il Big Bang. Il nuovo risultato dimostra che il James Webb dispone finalmente degli strumenti necessari per affrontare questa domanda direttamente osservando il passato remoto del cosmo.
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