Come ha fatto un buco nero a diventare mostruosamente grande quando l'universo era ancora giovanissimo? È una delle domande più difficili dell'astrofisica moderna. Nel 2020 un gruppo di astronomi guidato da ricercatori dell'INAF di Bologna ha trovato un indizio importante: un buco nero supermassiccio circondato da sei galassie, intrappolate in una rete di filamenti di gas simile a una ragnatela.
Un quasar dall'universo giovane
L'oggetto al centro della scoperta è un quasar, chiamato SDSS J1030+0524. I quasar sono i nuclei di galassie in cui un buco nero supermassiccio sta inghiottendo grandi quantità di gas: il gas, spiraleggiando verso il buco nero, si scalda a temperature altissime e brilla più di tutte le stelle della galassia messe insieme. Sono tra gli oggetti più luminosi dell'universo, e per questo si possono vedere anche a distanze enormi.
La luce di SDSS J1030+0524 è partita quando l'universo aveva circa 900 milioni di anni, meno del 7% della sua età attuale. Il buco nero che alimenta il quasar ha una massa stimata in circa un miliardo di volte quella del Sole.
Il problema della crescita
Un buco nero di un miliardo di masse solari in un universo così giovane è un rompicapo. I buchi neri crescono inghiottendo materia, ma esiste un limite alla velocità con cui possono farlo: la radiazione prodotta dal gas che cade verso il buco nero spinge il gas stesso verso l'esterno, frenando l'accrescimento. Anche partendo da un "seme" di qualche centinaio di masse solari e crescendo alla massima velocità possibile, arrivare a un miliardo di masse solari in poche centinaia di milioni di anni è molto difficile.
Per spiegare questi mostri precoci gli astrofisici hanno proposto diversi scenari: semi iniziali già molto grandi, fusioni tra buchi neri, periodi di crescita più rapida del limite teorico. In ogni caso, serve una quantità enorme di gas disponibile. Da dove arrivava? La ricerca dei semi di dimensioni intermedie è raccontata nell'articolo sui buchi neri di taglia media.
Sei galassie intrappolate
Il gruppo guidato da Marco Mignoli dell'INAF di Bologna ha osservato la regione attorno al quasar con alcuni dei telescopi più potenti al mondo, tra cui il Very Large Telescope dell'ESO in Cile e il Large Binocular Telescope in Arizona, a cui partecipa l'Italia. Le osservazioni hanno individuato sei galassie attorno al buco nero, a distanze fino a qualche milione di anni luce.
Secondo i ricercatori, le galassie si trovano lungo i filamenti di una struttura di gas e materia oscura che converge verso il buco nero, come i fili di una ragnatela verso il centro. Questa struttura, estesa per oltre 300 volte le dimensioni della Via Lattea, sarebbe stata il canale attraverso cui il gas affluiva in grande quantità verso il centro, alimentando sia la formazione delle galassie sia la crescita del buco nero. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics.
La ragnatela cosmica
L'idea che la materia nell'universo sia organizzata in una ragnatela cosmica non è nuova. Le simulazioni al computer e le grandi mappe delle galassie mostrano che la materia, sotto l'azione della gravità, si dispone in filamenti che si incrociano in nodi, lasciando tra loro grandi vuoti. Le galassie si formano soprattutto lungo i filamenti e nei nodi, dove la materia è più concentrata.
La maggior parte di questa struttura è fatta di materia oscura, invisibile, che attira con la sua gravità il gas normale. Secondo i modelli, i buchi neri più massicci dell'universo giovane dovrebbero trovarsi proprio nei nodi più densi della ragnatela, circondati da grandi aloni di materia oscura. Per decenni però gli astronomi non erano riusciti a trovare prove convincenti di queste strutture attorno ai primi quasar. La scoperta di SDSS J1030+0524 è stata una delle più chiare. Come la materia oscura sia stata mappata nell'universo vicino è raccontato nell'articolo sul catalogo dei movimenti delle galassie.
Galassie deboli, difficili da vedere
Una delle ragioni per cui queste strutture sono difficili da trovare è che le galassie attorno ai primi quasar sono tra le più deboli mai osservate con i telescopi a terra. Per individuarle sono servite molte ore di osservazione con strumenti spettroscopici sensibilissimi. I ricercatori ritengono che molte altre galassie simili possano circondare i quasar dell'universo primordiale, ma restare nascoste perché troppo deboli o avvolte nella polvere.
Il telescopio spaziale James Webb, con la sua sensibilità all'infrarosso, ha permesso negli ultimi anni di studiare questi ambienti con molto più dettaglio, confermando che diversi quasar primordiali si trovano in regioni affollate di galassie.
Un contributo italiano
La ricerca è stata un successo dell'astronomia italiana, sia per il gruppo di ricerca sia per gli strumenti utilizzati. Il Large Binocular Telescope, con i suoi due specchi da 8,4 metri, è uno dei telescopi più grandi del mondo, e l'INAF ne è uno dei partner principali. Altre scoperte sulle galassie del passato remoto, come il disco di Wolfe, mostrano quanto l'universo giovane fosse più rapido e organizzato di quanto si pensasse.
Per approfondire si può consultare la voce Quasar su Wikipedia. Altri articoli si trovano nella sezione Astronomia.
