Una scoperta straordinaria sta mettendo alla prova le attuali conoscenze sull’origine e sull’evoluzione dell’Universo. Un team internazionale di astronomi ha individuato la coppia di quasar compatti più antica e distante mai osservata, costituita da due buchi neri supermassicci che esistevano quando erano trascorsi appena 900 milioni di anni dal Big Bang. La loro massa è talmente elevata rispetto all’età dell’Universo in quel momento da rappresentare un problema ancora irrisolto per i modelli teorici che descrivono la formazione delle prime strutture cosmiche. Il sistema, identificato scientificamente come J1602+4228AB e soprannominato Nāpōwawāʻenakaulua, comprende due quasar separati da circa 18.100 anni luce, una distanza particolarmente ridotta su scala galattica. Il più massiccio dei due ospita un buco nero con una massa equivalente a 1,5 miliardi di Soli, mentre il secondo raggiunge circa 400 milioni di masse solari. La scoperta è stata realizzata grazie alle osservazioni del telescopio Gemini North, situato sul vulcano inattivo Maunakea, nelle Hawaii, e del James Webb Space Telescope (JWST). Lo studio, coordinato da Silvia Onorato, ricercatrice post-dottorato presso NSF NOIRLab, è stato pubblicato sulla rivista scientifica The Astrophysical Journal Letters.
Due buchi neri supermassicci quando l’Universo aveva appena 900 milioni di anni
L’aspetto più sorprendente della scoperta riguarda il momento della storia cosmica in cui i due oggetti sono stati osservati. A soli 900 milioni di anni dalla nascita dell’Universo, le prime stelle, le galassie e i buchi neri si trovavano ancora nelle fasi iniziali della loro evoluzione. Eppure, i due quasar avevano già raggiunto dimensioni confrontabili con quelle dei buchi neri supermassicci presenti nell’Universo attuale. La loro esistenza solleva interrogativi fondamentali sui meccanismi di crescita dei buchi neri e sui tempi necessari per accumulare quantità così elevate di materia. I modelli teorici disponibili non forniscono ancora una spiegazione definitiva della formazione di oggetti tanto massicci in un intervallo temporale così breve. Silvia Onorato evidenzia la difficoltà di interpretare il fenomeno: “non esiste ancora una spiegazione teorica definitiva di come anche uno solo di questi giganteschi quasar possa esistere in un’epoca così precoce della storia del nostro Universo, figuriamoci due”. La ricercatrice aggiunge: “abbiamo osservato Nāpōwawāʻenakaulua in un’epoca in cui l’Universo aveva appena un tredicesimo della sua età attuale e, sorprendentemente, i suoi buchi neri supermassicci hanno una massa paragonabile a quella dei buchi neri che osserviamo oggi”. Il sistema è stato infatti osservato quando l’Universo aveva raggiunto appena un tredicesimo della sua età attuale. La presenza contemporanea di due buchi neri così sviluppati costituisce quindi una sfida particolarmente significativa per la comprensione dell’assemblaggio delle prime galassie.
Cos’è un quasar e perché può brillare più di un’intera galassia
Per comprendere l’importanza della scoperta è necessario considerare le caratteristiche dei quasar, tra gli oggetti più energetici dell’Universo. Si tratta di nuclei galattici estremamente luminosi, alimentati dall’accrescimento di materia attorno a buchi neri supermassicci. Durante il primo miliardo di anni della storia cosmica, l’Universo attraversò una fase di intensa formazione delle strutture. Gli aloni di materia oscura collassarono, le prime galassie iniziarono a produrre nuove generazioni di stelle e le strutture galattiche più massicce ospitarono i primi grandi buchi neri nei rispettivi centri. Le interazioni gravitazionali tra galassie, le collisioni e le fusioni contribuirono a convogliare grandi quantità di gas e stelle verso le regioni centrali di questi sistemi. Parte della materia accumulata attorno ai buchi neri veniva convertita in energia, generando una luminosità talmente intensa da superare quella complessiva delle stelle della galassia ospite. È proprio questa straordinaria emissione energetica a rendere osservabili i quasar anche a distanze cosmologiche enormi. La loro luminosità permette agli astronomi di indagare epoche particolarmente remote, ricostruendo le condizioni fisiche che caratterizzavano le prime fasi dell’evoluzione dell’Universo.
La coppia di quasar più compatta mai scoperta all’alba cosmica
Nāpōwawāʻenakaulua non rappresenta soltanto il sistema di quasar in coppia più distante finora identificato, ma anche quello con la separazione più ridotta tra i sistemi analoghi scoperti nell’epoca conosciuta come alba cosmica, o cosmic dawn. I due oggetti si trovano a circa 18.100 anni luce l’uno dall’altro, una distanza equivalente approssimativamente a un quinto del diametro della Via Lattea. Gli astronomi ritengono che le coppie di quasar debbano essere relativamente comuni nell’Universo, poiché le interazioni e le fusioni galattiche sono fenomeni frequenti. Quando due galassie interagiscono, anche i rispettivi buchi neri centrali possono attraversare contemporaneamente fasi di intensa alimentazione, diventando entrambi osservabili come quasar. Individuare queste coppie, tuttavia, è estremamente difficile. La fase durante la quale un buco nero supermassiccio si manifesta come quasar ha una durata relativamente breve. Inoltre, gli oggetti più antichi si trovano a distanze enormi e la loro debole luminosità apparente rende complicate le osservazioni da Terra. Un’ulteriore difficoltà deriva dalla vicinanza apparente tra i componenti: quando due quasar sono separati da distanze relativamente piccole, risolverli come sorgenti distinte richiede strumenti particolarmente sensibili e condizioni osservative favorevoli. Prima di questa scoperta erano già state identificate altre coppie di quasar risalenti all’alba cosmica. Nāpōwawāʻenakaulua rappresenta il terzo sistema conosciuto appartenente a questa categoria, ma si distingue dagli altri per l’epoca estremamente precoce e per la particolare compattezza.
La scoperta grazie al James Webb Space Telescope e al programma Aether
Il sistema è stato individuato analizzando i dati di Aether, un programma osservativo del James Webb Space Telescope coordinato da Emanuele Paolo Farina, Associate Scientist presso NSF NOIRLab/Gemini. L’obiettivo del progetto è realizzare un censimento degli oggetti presenti nell’Universo primordiale, raccogliendo informazioni sulle loro proprietà fisiche e sulla loro distribuzione durante le prime fasi della storia cosmica. Utilizzando la Near-Infrared Spectrograph Integral Field Unit del JWST, il programma ha raccolto un campione di 200 quasar, corrispondenti al 43% di tutti i quasar conosciuti appartenenti a questa fase dell’evoluzione dell’Universo. Durante l’ispezione visiva dei dati ottenuti nell’ambito del progetto, i ricercatori hanno riconosciuto un elemento inatteso: il quasar già identificato come J1602+4228A possedeva un compagno. La presenza della seconda sorgente ha trasformato l’oggetto inizialmente osservato in un sistema di particolare interesse scientifico, rendendo necessarie ulteriori verifiche attraverso strumenti indipendenti.
Le osservazioni con Gemini North: due quasar distinti nonostante la distanza e la debole luminosità
Per approfondire la natura del sistema, gli astronomi hanno utilizzato il Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS), installato sul telescopio Gemini North. Le osservazioni hanno permesso di distinguere i due componenti, identificati come J1602+4228A e J1602+4228B. Il risultato è particolarmente significativo perché la seconda sorgente, J1602+4228B, è estremamente debole e si trova molto vicino alla prima. In condizioni ordinarie, riuscire a separare i due oggetti attraverso osservazioni effettuate dalla superficie terrestre sarebbe stato quasi impossibile. Un ruolo determinante è stato svolto dalle condizioni atmosferiche eccezionalmente favorevoli sopra il Maunakea, che hanno consentito di ottenere dati di elevata qualità in un intervallo di tempo relativamente breve. Onorato descrive così le condizioni che hanno reso possibile l’osservazione: “il cielo sopra Maunakea era così limpido e terso che siamo riusciti a raccogliere tutti i dati in appena due notti”. La raccolta dei dati ha richiesto soltanto due notti di osservazione. Ulteriori misurazioni effettuate con il Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) hanno permesso di definire meglio le proprietà fisiche della coppia. Gemini North costituisce una delle due componenti dell’International Gemini Observatory, collaborazione scientifica internazionale guidata dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, in partnership con Canada, Cile, Brasile, Argentina e Repubblica di Corea. L’osservatorio è gestito da NSF NOIRLab.
Perché la scoperta potrebbe cambiare la comprensione della formazione delle prime galassie
La presenza di due buchi neri supermassicci già così sviluppati nell’Universo primordiale suggerisce che alcune regioni cosmiche abbiano attraversato processi di accrescimento della materia particolarmente intensi. Gli autori dello studio propongono che Nāpōwawāʻenakaulua possa rappresentare un indicatore della presenza di un picco estremo nella distribuzione della densità di materia nell’Universo giovane. In un ambiente di questo tipo, le interazioni tra galassie potrebbero aver favorito contemporaneamente due fenomeni fondamentali: la formazione di nuove stelle e la crescita accelerata dei buchi neri centrali. Le collisioni e le interazioni gravitazionali avrebbero potuto alimentare entrambi i processi, fornendo grandi quantità di materia ai nuclei galattici e contribuendo allo sviluppo delle prime strutture massicce. Si tratta di un’interpretazione proposta dal gruppo di ricerca, non ancora di una ricostruzione definitiva.
L’origine completa del sistema rimane infatti sconosciuta e richiede ulteriori approfondimenti. L’importanza scientifica della scoperta risiede anche nella possibilità di osservare due nuclei galattici attivi in uno stesso ambiente cosmico, quando i processi che avrebbero portato alla formazione delle grandi galassie erano ancora in corso. Onorato sottolinea questa opportunità: “Nāpōwawāʻenakaulua è un ambiente davvero unico”. E aggiunge: “è un laboratorio naturale che permette agli astronomi di studiare come le primissime galassie massicce e i buchi neri situati al loro centro si siano formati ed evoluti insieme attraverso interazioni dirette tra galassie, nelle fasi iniziali della storia dell’Universo”.
Nāpōwawāʻenakaulua: il significato del nome hawaiano dei due quasar
La coppia di quasar ha ricevuto il nome hawaiano Nāpōwawāʻenakaulua, scelto per rappresentare la natura eccezionale dei due oggetti e il loro legame con i fenomeni energetici dell’Universo. Il nome è stato creato attraverso il programma A Hua He Inoa, sviluppato presso l’ʻImiloa Astronomy Center of Hawaiʻi e il Ka Haka ʻUla O Keʻelikōlani, il College of Hawaiian Language dell’Università delle Hawaii. La denominazione viene tradotta come: “due corpi celesti dall’oscurità insondabile e dalla potenza smisurata, immersi nello splendore del calore, che trasformano l’energia restituendola a nuova vita nell’Universo”. Il significato richiama due corpi celesti caratterizzati da un’oscurità immensamente potente che, attraverso il calore e la luminosità, restituiscono energia all’Universo. Il riferimento descrive simbolicamente il comportamento fisico dei quasar: nonostante la presenza di buchi neri, dai quali la luce non può sfuggire oltre l’orizzonte degli eventi, la materia che alimenta questi oggetti può generare emissioni energetiche straordinariamente intense.
Un laboratorio cosmico per studiare la crescita dei primi buchi neri supermassicci
La scoperta di J1602+4228AB offre agli astronomi un’opportunità particolarmente rara per approfondire il rapporto tra evoluzione delle galassie, interazioni gravitazionali e accrescimento dei buchi neri durante il primo miliardo di anni dell’Universo. La possibilità di osservare due quasar distinti, entrambi alimentati attivamente e collocati a una distanza relativamente contenuta, consente di analizzare un ambiente nel quale la formazione delle strutture galattiche e lo sviluppo dei rispettivi nuclei supermassicci potrebbero essere strettamente collegati. Il sistema costituisce inoltre un importante banco di prova per i modelli cosmologici che tentano di ricostruire le condizioni necessarie alla formazione dei primi buchi neri giganteschi. La questione scientifica centrale riguarda la velocità con cui questi oggetti sono riusciti ad accumulare materia. Due buchi neri con masse rispettivamente pari a 1,5 miliardi e 400 milioni di volte quella del Sole, già presenti quando l’Universo aveva soltanto 900 milioni di anni, impongono di approfondire i meccanismi responsabili della loro crescita. Le osservazioni realizzate con James Webb e Gemini North hanno permesso di identificare e caratterizzare una coppia che fino a oggi era sfuggita alle indagini astronomiche. Resta invece aperto il problema teorico della sua formazione, uno degli interrogativi più rilevanti emersi dallo studio dell’Universo primordiale.