Il buco nero del Quasar J0100+2802 arresta la formazione stellare

I buchi neri supermassicci fungono da "predatori cosmici" in grado di sopprimere la formazione stellare non solo all'interno delle loro galassie ospiti, ma anche nei sistemi vicini a milioni di anni luce di distanza. Una nuova ricerca guidata dalla University of Arizona indica che l'intensa radiazione emessa dai buchi neri attivi — noti come quasar — riscalda e disperde l'idrogeno molecolare gassoso freddo necessario per la nascita delle stelle. Questa scoperta, pubblicata su The Astrophysical Journal Letters il 3 dicembre 2025, suggerisce che l'evoluzione galattica sia uno "sforzo di gruppo" interconnesso piuttosto che un processo isolato, cambiando radicalmente la nostra comprensione della crescita dell'universo primordiale.

Lo studio, guidato dal ricercatore post-dottorato Yongda Zhu presso lo Steward Observatory, ha utilizzato l'inedita sensibilità del James Webb Space Telescope (JWST) per osservare l'universo lontano. Esaminando l'ambiente circostante uno dei buchi neri più massicci mai scoperti, il team ha identificato una "zona di soppressione" in cui la formazione stellare era significativamente ostacolata. Questa scoperta fornisce una spiegazione a lungo cercata sul motivo per cui alcune galassie primordiali appaiano "morte" o quiescenti nonostante si trovino in ambienti ricchi di gas.

Che cos'è il quasar J0100+2802 e perché è importante?

Il quasar J0100+2802 è un nucleo galattico attivo iperluminoso situato a 12,8 miliardi di anni luce di distanza, alimentato da un buco nero supermassiccio con una massa pari a 12 miliardi di volte quella del sole. Apparso appena 900 milioni di anni dopo il Big Bang, questo oggetto è fondamentale perché la sua estrema luminosità — 420 mila miliardi di volte quella del nostro sole — funge da faro cosmico, consentendo agli astronomi di sondare le condizioni del mezzo intergalattico durante l'Epoca della reionizzazione.

Le osservazioni di J0100+2802 rappresentano una finestra sull'infanzia dell'universo, fornendo un laboratorio per studiare la co-evoluzione di buchi neri e galassie. Poiché questo buco nero è così massiccio e attivo, funge da caso studio estremo per il feedback radiativo. L'energia rilasciata mentre la materia spiraleggia nell'orizzonte degli eventi crea un disco vorticoso di gas e polvere che eclissa l'intera galassia ospite, rendendolo visibile attraverso la vastità dello spazio e del tempo.

L'importanza di J0100+2802 risiede nei suoi parametri da record e nella sua collocazione nella linea temporale cosmica:

• Massa: Circa 12 miliardi di masse solari.
• Luminosità: Equivalente a 420 mila miliardi di soli.
• Redshift: z = 6,30, risalente a quando l'universo aveva meno di 1 miliardo di anni.
• Distanza: 12,8 miliardi di anni luce dalla Terra.

I buchi neri supermassicci possono agire come predatori cosmici?

I buchi neri supermassicci agiscono come predatori cosmici emettendo radiazioni intense che privano le galassie vicine del gas freddo necessario per la formazione stellare. Questo processo, definito feedback intergalattico, vede il quasar "consumare" la materia locale e allo stesso tempo scatenare torrenti di energia che rompono l'equilibrio ecologico della rete cosmica circostante, affamando di fatto le galassie vicine del loro potenziale di crescita.

I modelli tradizionali di evoluzione galattica ipotizzavano che le galassie fossero ampiamente indipendenti a causa delle vaste distanze tra loro. Tuttavia, Yongda Zhu e il suo team della University of Arizona hanno scoperto che un singolo buco nero iperattivo può esercitare una sfera d'influenza che si estende per almeno un milione di anni luce. Entro questo raggio, la radiazione del quasar scinde l'idrogeno molecolare — il combustibile primario per le stelle — in uno stato ionizzato che non può collassare sotto l'effetto della gravità per formare nuovi corpi stellari.

Questo comportamento "predatorio" crea un effetto a catena in tutto l'ecosistema galattico locale. Proprio come un predatore alfa in un ambiente terrestre, il quasar centrale detta la popolazione e la crescita delle "specie" (galassie) intorno a esso. Impedendo il raffreddamento del gas nei sistemi vicini, il buco nero assicura che queste galassie rimangano piccole e sottosviluppate, arrestando di fatto il loro progresso evolutivo prematuramente.

In che modo i dati del JWST mostrano la formazione stellare repressa vicino ai quasar?

I dati del JWST rivelano la formazione stellare repressa attraverso la misurazione delle emissioni di O III (ossigeno doppiamente ionizzato), che fungono da tracciante chimico per la recente attività stellare. Utilizzando gli strumenti NIRCam e NIRSpec, i ricercatori hanno osservato che le galassie entro un raggio di un milione di anni luce dal Quasar J0100+2802 mostravano segnali di O III significativamente più deboli rispetto alla loro luce ultravioletta, indicando una mancanza di nuove nascite stellari.

Il James Webb Space Telescope è stato essenziale per questa scoperta perché l'espansione dell'universo ha allungato la luce di queste galassie primordiali nello spettro infrarosso. I precedenti osservatori, come Hubble, non avevano la sensibilità nell'infrarosso necessaria per rilevare i deboli segnali dell'ossigeno ionizzato a distanze così estreme. I dati ad alta risoluzione forniti dal JWST hanno permesso ai ricercatori di distinguere tra la luce del quasar e le sottili firme delle 117 galassie circostanti identificate nello studio.

Curiosamente, il team inizialmente pensava che il telescopio potesse avere un malfunzionamento quando ha visto meno galassie del previsto vicino al quasar. "Eravamo perplessi", ha dichiarato Zhu. "Poi abbiamo capito che le galassie potevano effettivamente essere lì, ma difficili da rilevare perché la loro recentissima formazione stellare era stata soppressa". Questa soppressione è evidenziata dal minor rapporto di emissione di O III, che conferma come il feedback radiativo del buco nero si sia spinto all'esterno e abbia perturbato le nubi di gas freddo in questi sistemi vicini.

I fattori tecnologici chiave che hanno permesso questa ricerca includono:

• Imaging NIRCam: Ha catturato immagini ad alta risoluzione di galassie nell'universo primordiale.
• Spettroscopia NIRSpec: Ha permesso la misurazione precisa di elementi chimici come l'ossigeno e l'idrogeno.
• Sensibilità all'infrarosso: Ha superato gli ostacoli del redshift che avevano limitato i telescopi precedenti.
• Ampio campo visivo: Ha mappato la distribuzione delle galassie su un raggio di un milione di anni luce.

Le implicazioni di questa ricerca si estendono alla nostra Via Lattea. Gli astronomi ritengono che il nostro buco nero centrale, Sagittarius A*, abbia probabilmente attraversato una fase di quasar nel lontano passato. Capire come gli antichi quasar come J0100+2802 abbiano influenzato l'ambiente circostante aiuta gli scienziati a ricostruire la storia del nostro gruppo locale di galassie e l'architettura più ampia della rete cosmica.

Guardando al futuro, il team della University of Arizona prevede di estendere lo studio ad altri campi di quasar per determinare se questo comportamento "predatorio" sia un tratto universale di tutti i buchi neri supermassicci. Se questi risultati fossero confermati in più regioni dell'universo primordiale, gli scienziati dovranno rivedere drasticamente le loro simulazioni su come si sono formate le prime strutture nel cosmo. Il James Webb Space Telescope continuerà a essere lo strumento principale per queste indagini, rimuovendo gli strati del tempo per rivelare come gli oggetti più violenti dell'universo abbiano modellato le tranquille galassie che osserviamo oggi.