Buco nero nascosto più distante mai osservato: anche Bologna nello studio

Un gruppo internazionale di ricercatori ha annunciato la possibile scoperta di un buco nero fortemente oscurato – cioè nella sua fase di crescita iniziale – risalente a soli 850 milioni di anni dopo il Big Bang. Si tratta della prima evidenza dell’esistenza di un buco nero nascosto in un’epoca così remota. La scoperta nasce grazie all’analisi di dati raccolti dal Chandra X-Ray Observatory, il telescopio orbitale della NASA per l'osservazione del cielo nei raggi X.

Allo studio – pubblicato su Astronomy & Astrophysics – hanno partecipato anche diversi ricercatori dell’INAF – Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna e del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna.

L’oggetto rilevato è un quasar – un buco nero supermassiccio estremamente luminoso – nascosto però da una densa nube di gas che ne starebbe alimentando la crescita. Dalle prime osservazioni, la fonte di raggi X che ha permesso di individuare il buco nero potrebbe corrispondere ad un quasar già noto (chiamato PSO 167-13) oppure ad un quasar ancora sconosciuto presente in una galassia vicina. In entrambi i casi si tratterebbe comunque del buco nero nascosto più distante mai osservato.

“L’individuazione di un quasar oscurato nell’Universo a soli 850 milioni di anni dal Big Bang rappresenta una scoperta sensazionale, frutto di anni di ricerca condotta dal nostro gruppo e resa possibile dalla capacità osservative di Chandra”, spiega Cristian Vignali, professore associato presso l’Università di Bologna tra gli autori dello studio. “Individuare altri quasar fortemente oscurati simili a PSO 167-13 ad un’epoca in cui l’Universo è ancora molto giovane sarà uno degli obiettivi principali dell’astrofisica dei prossimi anni”.

“Sospettiamo che la maggior parte dei buchi neri supermassicci nell’universo primordiale siano nascosti, proprio come quello che abbiamo individuato”, dice Roberto Gilli, ricercatore dell’INAF di Bologna che ha partecipato allo studio. “Riuscire a trovare e studiare questa popolazione nascosta potrà permetterci di capirein che modo i primi buchi neri riescano a crescere tanto rapidamente, fino a raggiungere masse pari a miliardi di volte quella del Sole”.

Cos'è un Quasar

Normalmente i buchi neri supermassicci crescono attirando a sé materiale proveniente da un disco di materia che li circonda. A causa della crescita estremamente rapida, questo processo genera un’enorme quantità di radiazioni attorno al buco nero e produce quindi un’emissione estremamente luminosa e compatta che viene chiamata quasar. I quasar sono quindi di fatto buchi neri supermassicci estremamente luminosi.

Le simulazioni teoriche indicano che nella loro fase iniziale di crescita i buchi neri e il loro disco di accrescimento sono oscurati da una densa nube di gas. Man mano che il processo di crescita avanza, la nube di gas viene in parte assorbita e in parte espulsa fino a scomparire completamente, svelando così il buco nero e il disco luminoso che lo circonda.

Grazie ad osservazioni con telescopi ottici, nel corso degli anni sono stati individuati circa duecento quasar risalenti a quando l’Universo aveva meno di un miliardo di anni (oggi ha 13,8 miliardi di anni). Poiché le emissioni che vengono rilevate con i telescopi ottici sono oscurate dalle nubi di gas, i buchi neri che sono stati rilevati dovrebbero essere già usciti dalla loro fase di crescita iniziale nascosta.

A partire da questi elementi, il gruppo internazionale di ricercatori ha deciso dianalizzare dieci dei quasar individuati osservandoli con il telescopio orbitale della NASA Chandra, che rileva i raggi X. L’aspettativa era confermare quanto già rilevato dalle osservazioni con telescopi ottici. E in nove casi su dieci è andata così. In un caso però – quello del quasar PSO 167-13, scoperto alcuni anni fa dal telescopio ottico Pan-STARRS che si trova alle Hawaii – i dati hanno rivelato risultati inattesi.

Dopo sedici ore di osservazione, Chandra ha infatti individuato solo tre raggi X provenienti dal quasar PSO 167-13, tutti ad energie relativamente elevate. Dato che i raggi X a basse energie vengono assorbiti più facilmente rispetto a quelli a energie più alte, l’ipotesi a cui sono arrivati i ricercatori è che il quasar in questione sia oscurato. La presenza di una densa nube di gas attorno a PSO 167-13 permetterebbe infatti di rilevare solo i raggi X ad elevata energia.

Ipotesi

C’è però anche un’altra ipotesi. La galassia che ospita il quasar PSO 167-13 è infatti affiancata da una galassia vicina, già rilevata sia dal radiointerferometro ALMA in Cile che dal telescopio spaziale Hubble della NASA. Dato che le due galassie sono vicine e la fonte di raggi X rilevata è molto debole, i ricercatori non sono riusciti a stabilire con certezza se il buco nero oscurato sia in effetti il quasar PSO 167-13 oppure un nuovo quasar presente nella galassia accanto.

Nel primo caso, i ricercatori dovrebbero spiegare perché PSO 167-13 appare come un buco nero oscurato secondo la rilevazione ai raggi X, ma è comunque visibile con un telescopio ottico. Dato che tra la prima individuazione del quasar e la nuova analisi con Chandra sono passati tre anni, una possibile spiegazione potrebbe essere un rapido aumento di materiale attorno al buco nero che ne ha portato all’oscuramento. La seconda ipotesi – la fonte di raggi X deriva dalla galassia accanto – indicherebbe invece la presenza di un nuovo quasar molto vicino a PSO 167-13:sarebbe la coppia di quasar più distante mai rilevata.

In entrambi i casi, però, una cosa è certa: se confermato, il quasar individuato dai ricercatori – risalente a 850 milioni di anni dopo il Big Bang – sarebbe il buco nero oscurato più distante mai osservato fino ad oggi.

Lo studio è stato pubblicato su Astronomy & Astrophysics con il titolo “Discovery of the first heavily obscured QSO candidate at z > 6 in a close galaxy pair”. Il primo autore è Fabio Vito della Pontificia Universidad Católica de Chile (laureato e dottore di ricerca dell’Università di Bologna). Il programma Chandra è gestito dal Marshall Space Flight Center della NASA (Huntsville, Alabama, USA), mentre il Chandra X-Ray Center dello Smithsonian Astrophysical Observatory (Cambridge, Massachusetts, USA) gestisce gli aspetti scientifici e le operazioni di volo.

Per l’Università di Bologna hanno partecipato Cristian Vignali, Riccardo Nanni e Marcella Brusa del Dipartimento di Fisica e Astronomia. Per INAF – Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna hanno partecipato Roberto Gilli, Giovanni Zamorani, Francesco Calura, Andrea Comastri e Marco Mignoli.