Sin dal suo dispiegamento, il James Webb Space Telescope (JWST) ha alterato radicalmente la nostra comprensione dell'universo primordiale catturando immagini di oggetti misteriosi, compatti ed estremamente rossi, noti colloquialmente come "Little Red Dots" (LRD), ovvero "piccoli puntini rossi". Per anni, gli astronomi hanno dibattuto se queste sorgenti ad alto redshift (individuate tra $z \sim 2$ e $z \sim 9$) fossero minuscole galassie ultra-dense o nuclei galattici attivi (AGN) oscurati. Un nuovo studio rivoluzionario, guidato da ricercatori tra cui Gabriel Brammer, Priyamvada Natarajan e Sandro Tacchella, propone una terza possibilità più esotica: questi oggetti sono stelle buco nero (BH*s), una fase transitoria in cui un buco nero in crescita è racchiuso all'interno di un massiccio e denso involucro di gas che oscura completamente la sua galassia ospite.
Cosa ha scoperto il JWST nell'universo primordiale?
Il James Webb Space Telescope (JWST) ha scoperto una popolazione di oggetti compatti ad alto redshift, noti come "Little Red Dots", che appaiono notevolmente rossi nelle lunghezze d'onda ottiche a riposo. Queste sorgenti, risalenti a poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, mostrano luminosità estreme e strutture compatte che sfidano i modelli esistenti di formazione galattica e di crescita dei buchi neri.
La scoperta di questi oggetti è stata inaspettata perché le loro firme spettrali non si allineavano chiaramente con i corpi celesti noti. Inizialmente, il dibattito si è concentrato sulla possibilità che la colorazione rossa fosse causata da antiche popolazioni stellari in una galassia quiescente o da un pesante oscuramento da polvere attorno a un buco nero centrale. Il team di ricerca ha utilizzato spettri NIRSpec/PRISM di alta qualità provenienti da un campione di 98 LRD per indagare più a fondo questi "piccoli puntini rossi", cercando di identificare lo specifico meccanismo alla base della loro intensa emissione di energia.
Per isolare la vera natura di questi oggetti, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo schema per separare il motore centrale dalla galassia ospite circostante. Hanno operato partendo dal presupposto che la riga di emissione [OIII] 5008Å derivi esclusivamente dal mezzo interstellare della galassia ospite piuttosto che dal nucleo compatto. Sottraendo il contributo della galassia ospite basandosi su questa riga, il team ha rivelato la distribuzione spettrale di energia (SED) sottostante del "cuore" dell'LRD, fornendo la prima prova a livello di popolazione dell'esistenza di stelle buco nero.
I "Little Red Dots" sono davvero stelle buco nero?
Le prove suggeriscono che molti "Little Red Dots" siano effettivamente alimentati da stelle buco nero, ovvero singolarità centrali avvolte in spessi e opachi involucri di gas. Dopo aver sottratto la luce della galassia ospite, i ricercatori hanno scoperto che il nucleo rimanente assomiglia a una SED di tipo corpo nero con una temperatura di circa 4.050 K, molto più coerente con un involucro gassoso che con una galassia tradizionale.
Il modello della "stella buco nero", spesso indicato come quasistella, descrive uno stato unico della materia in cui un buco nero cresce a un ritmo accelerato all'interno di un massiccio involucro idrostatico. Lo studio ha rilevato che lo spettro mediano degli LRD, una volta sottratta la galassia ospite, mostra un salto di Balmer più di due volte più forte di quelli riscontrati nelle galassie quiescenti massicce. Questa caratteristica specifica è una "firma distintiva" di densi involucri di gas, piuttosto che della luce proveniente da vecchie stelle, indicando che il buco nero è il principale motore della luce osservata.
Secondo i risultati di Brammer, Natarajan e Tacchella, queste stelle buco nero sono incredibilmente luminose, con una luminosità bolometrica di $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43.9$ erg s$^{-1}$ e un raggio efficace di circa 1.300 au. Lo studio indica che in un tipico LRD, la stella buco nero è responsabile di:
- Circa il 20% dell'emissione ultravioletta (UV).
- Circa il 50% della luce al salto di Balmer.
- Quasi il 90% della luce a lunghezze d'onda superiori a H$\alpha$.
Come cresce un buco nero all'interno di un involucro di gas?
Un buco nero cresce all'interno di un involucro di gas accrescendo massa a velocità che superano il limite standard di Eddington, mentre il gas circostante intrappola la radiazione risultante. Ciò crea un bozzolo denso e pressurizzato in cui l'attrazione gravitazionale verso l'interno è bilanciata dalla pressione verso l'esterno dell'energia del buco nero, dando vita a una struttura "simile a una stella" stabile ma transitoria.
I dati spettroscopici supportano questo modello di crescita "schermato" attraverso l'osservazione di un ripido decremento di Balmer ($H\alpha/H\beta > 10$). Un rapporto così elevato suggerisce un ambiente altamente oscurato e denso, dove la polvere e il gas arrossano significativamente la luce che fuoriesce dall'interno. Inoltre, il team ha rilevato numerose caratteristiche sensibili alla densità, comprese le righe di emissione di FeII, HeI e OI, che si vedono raramente nelle galassie standard ma sono caratteristiche di nubi di gas ad alta densità che circondano una potente sorgente di energia.
La ricerca ipotizza che queste stelle buco nero risiedano preferenzialmente in galassie di piccola massa ($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$) che hanno recentemente subito intensi starburst. La presenza di larghezze equivalenti delle righe di emissione estreme — come [OIII] 5008Å a 1100Å e CIII] a 12Å — suggerisce un forte legame tra la rapida formazione stellare e la nascita di questi massicci semi di buchi neri. Questo ambiente fornisce la riserva di gas necessaria per mantenere l'involucro durante l'espansione iniziale del buco nero.
Implicazioni per la crescita dei primi buchi neri supermassicci
La scoperta della fase di stella buco nero ha profonde implicazioni su come i primi buchi neri supermassicci dell'universo si siano formati così rapidamente. I modelli di accrescimento standard spesso faticano a spiegare come i buchi neri abbiano raggiunto miliardi di masse solari entro il primo miliardo di anni di storia cosmica. Tuttavia, il meccanismo della stella buco nero consente una crescita rapida, di tipo "super-Eddington", mentre l'oggetto rimane oscurato, effettivamente nascosto alla vista finché l'involucro non finisce per dissiparsi.
I ricercatori stimano che questi oggetti abbiano un duty cycle relativamente breve, circa l'1%, il che implica una durata di vita di circa 10 milioni di anni. Nonostante questa transitorietà, i dati suggeriscono che le stelle buco nero siano così comuni nell'universo primordiale che quasi ogni buco nero massiccio osservato oggi potrebbe aver attraversato una volta questa fase di "Little Red Dot". Ciò suggerisce che gli LRD non siano un vicolo cieco evolutivo, ma piuttosto uno "scatto di crescita" universale per i buchi neri.
In prospettiva, le future osservazioni con il James Webb Space Telescope si concentreranno probabilmente sugli "AGN blu a righe larghe", che i ricercatori ritengono possa essere la fase successiva alla stella buco nero, una volta che il denso involucro di gas inizia a diradarsi. Studiando la transizione dai "puntini" avvolti nel gas ai quasar luminosi e non schermati, gli astronomi sperano di mappare l'intero ciclo di vita degli abitanti più massicci dell'universo, dall'alba cosmica fino ai giorni nostri.
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