Come persone, siamo tutti plasmati dai quartieri in cui siamo cresciuti, che si tratti di un vivace centro urbano o di una tranquilla campagna. Gli oggetti nello spazio lontano non sono diversi.
Come te, ogni buco nero supermassiccio vive in una casa – la galassia che lo ospita – e in un quartiere – il suo gruppo locale di altre galassie. Un buco nero supermassiccio cresce consumando il gas già presente all’interno della galassia che lo ospita, talvolta raggiungendo una massa miliardi di volte superiore a quella del nostro Sole.
La fisica teorica prevede che i buchi neri dovrebbero impiegare miliardi di anni per trasformarsi in quasar, che sono oggetti estremamente luminosi e potenti alimentati dai buchi neri. Eppure gli astronomi sanno che molti quasar si sono formati solo in poche centinaia di milioni di anni.
Forse i quasar più massicci sono quelli di città, che si formano nei centri di decine o centinaia di altre galassie. O forse i quasar possono crescere fino a raggiungere proporzioni enormi anche nelle regioni più desolate dell’universo.
Protoammassi di galassie
L’oggetto più grande che si può formare nell’universo è un ammasso di galassie, contenente centinaia di galassie attratte dalla gravità verso un centro comune. Prima che queste galassie raggruppate collassino in un unico oggetto, gli astronomi le chiamano protoammassi. In questi densi quartieri di galassie, gli astronomi vedono galassie in collisione, buchi neri in crescita e grandi sciami di gas che alla fine diventeranno la prossima generazione di stelle.
Anche queste strutture di protoammassi crescono molto più velocemente di quanto pensassimo, quindi abbiamo un secondo problema cosmico da risolvere: come fanno i quasar e i protoammassi a evolversi così rapidamente? Sono collegati?
Per osservare i protoammassi, gli astronomi idealmente ottengono immagini che mostrano la forma, le dimensioni e il colore della galassia, e uno spettro che mostra la distanza della galassia dalla Terra attraverso specifiche lunghezze d’onda della luce, per ciascuna galassia nel protoammasso.
Con telescopi come il James Webb Space Telescope, gli astronomi possono vedere le galassie e i buchi neri com’erano miliardi di anni fa, poiché la luce emessa da oggetti distanti deve viaggiare miliardi di anni luce per raggiungere i suoi rilevatori. Possiamo quindi osservare le immagini dei “neonati” protoammassi e dei quasar per vedere come si sono evoluti nei primi tempi.
È solo dopo aver osservato gli spettri che gli astronomi determinano se le galassie e i quasar sono effettivamente vicini tra loro nello spazio tridimensionale. Ma ottenere gli spettri di ogni galassia uno alla volta può richiedere molte più ore di quelle di qualsiasi astronomo, e le immagini possono mostrare galassie che sembrano più vicine tra loro di quanto non siano in realtà.
Quindi, per molto tempo, è stata solo una previsione che enormi quasar potessero evolversi nei centri di vaste città galattiche.
Una visione senza precedenti degli ambienti quasar
Ora, Webb ha completamente rivoluzionato la ricerca dei quartieri delle galassie grazie a uno strumento chiamato spettrografo senza fessura ad ampio campo.
Questo strumento acquisisce simultaneamente gli spettri di ogni galassia nel suo campo visivo in modo che gli astronomi possano mappare un’intera città cosmica in una sola volta. Codifica le informazioni critiche sulle posizioni 3D delle galassie catturando la luce emessa dal gas a lunghezze d’onda specifiche – e in solo poche ore di osservazione.
I primi progetti Webb sperano di esaminare gli ambienti dei quasar focalizzati su un periodo di circa 800 milioni di anni dopo il Big Bang. Questo periodo di tempo è un punto ideale in cui gli astronomi possono osservare questi mostruosi quasar e i loro vicini utilizzando la luce emessa dall’idrogeno e dall’ossigeno. Le lunghezze d’onda di queste caratteristiche luminose mostrano dove si trovano gli oggetti che le emettono lungo la nostra linea visiva, consentendo agli astronomi di completare il censimento di dove vivono le galassie rispetto ai quasar luminosi.
Uno di questi progetti in corso è guidato dal team ASPIRE presso l’Osservatorio Steward dell’Università dell’Arizona. In un primo articolo, hanno trovato un protoammasso attorno a un quasar estremamente luminoso e lo hanno confermato con gli spettri di 12 galassie.
Un altro studio ha rilevato oltre un centinaio di galassie, guardando verso il quasar più luminoso conosciuto nell’universo primordiale. Ventiquattro di quelle galassie erano vicine al quasar o nelle sue vicinanze.
Nel lavoro in corso, un team sta apprendendo maggiori dettagli sulle mini città galattiche come queste. Vogliamo capire se le singole galassie mostrano tassi elevati di formazione di nuove stelle, se contengono grandi masse di vecchie stelle o se si stanno fondendo tra loro. Tutti questi parametri indicherebbero che queste galassie sono ancora in attiva evoluzione ma si erano già formate milioni di anni prima che le osservassimo.
Una volta che il team avrà un elenco delle proprietà delle galassie in un’area, confronteranno queste proprietà con un campione di controllo di galassie casuali nell’universo, lontane da qualsiasi quasar. Se questi parametri sono abbastanza diversi dal controllo, avremo buone prove che i quasar crescono in quartieri speciali, che si sviluppano molto più velocemente delle regioni più sparse dell’universo.
Mentre gli astronomi hanno ancora bisogno di più di una manciata di quasar per dimostrare questa ipotesi su scala più ampia, Webb ha già aperto una finestra su un futuro luminoso di scoperte con dettagli gloriosi e ad alta risoluzione.
Autore
Jaclyn Champagne, Università dell’Arizona
