Una nuova ricerca ha scoperto le cause per cui, dopo il Mezzogiorno Cosmico, i buchi neri supermassicci hanno rallentato la loro crescita.
Grazie ai nostri potenti telescopi a infrarossi, che permettono agli astronomi di scrutare sempre più indietro nel tempo, sono emerse alcune scoperte sorprendenti. Una di queste riguarda i buchi neri supermassicci (SMBH), quei colossi che sfidano le leggi della fisica e che si trovano al centro di grandi galassie come la Via Lattea. A quanto pare, gli SMBH sono cresciuti molto più rapidamente ad alti redshift rispetto a quanto non accada nell’Universo contemporaneo. Il periodo dell’evoluzione dell’Universo chiamato Mezzogiorno Cosmico ha visto una crescita molto rapida dei buchi neri supermassicci. Ma, da allora, la crescita dei buchi neri supermassicci ha rallentato. Il Mezzogiorno Cosmico, che si estendeva da circa 2 miliardi di anni dopo il Big Bang a circa 4 miliardi di anni dopo, è stato anche un periodo di massima attività di formazione stellare. Ora, gli astrofisici hanno scoperto che i buchi neri supermassicci moderni non riescono ad accrescere materiale con la stessa rapidità del passato. Ciò è dovuto principalmente all’indisponibilità di gas freddo, il substrato energetico preferito dei buchi neri supermassicci. Gli astrofisici a volte definiscono questo fenomeno “ridimensionamento del nucleo galattico attivo”.
L’importanza della crescita
Comprendere la storia di crescita dei buchi neri supermassicci (SMBH) è uno degli argomenti più importanti per gli studi extragalattici poiché esistono strette correlazioni tra la massa di un SMBH e la massa dei bulge della galassia ospite e la sua dispersione di velocità. Esiste anche una correlazione tra il tasso di accrescimento medio a lungo termine di un SMBH e la massa stellare totale della galassia ospite e il tasso di formazione stellare nel suo bulge. Queste relazioni indicano che i buchi neri supermassicci e le galassie ospiti si evolvono in modo coordinato, pertanto,ricostruire la storia di crescita dei buchi neri supermassicci può fornire informazioni sul meccanismo che guida la coevoluzione tra galassie e buchi neri supermassicci.
Gli scienziati sanno che la crescita dei buchi neri supermassicci ha raggiunto il picco a circa z ≈ 1,5–2 per poi diminuire verso l’epoca attuale. z ≈ 1,5–2 corrisponde a circa 9,5–10,5 miliardi di anni fa, quando l’Universo aveva all’incirca 3–4 miliardi di anni. A redshift più elevati erano presenti più nuclei galattici attivi (AGN) ad alta luminosità. La domanda è: perché questo forte rallentamento?
Le osservazioni a raggi X effettuate dal telescopio radio Chandra hanno svolto un ruolo importante in questo lavoro. Quando un buco nero supermassiccio (SMBH) sta attivamente accrescendo materiale, viene chiamato nucleo galattico attivo (AGN). Quando un AGN consuma materia, questa forma inizialmente un anello rotante attorno al buco nero supermassiccio. Il materiale nell’anello si riscalda ed emette raggi X, che Chandra è in grado di osservare. Il confronto delle emissioni di raggi X provenienti da diversi AGN a diversi redshift indica la velocità con cui stanno accrescendo materiale e crescendo. Maggiore è la quantità di raggi X emessi da un AGN, più rapidamente il buco nero supermassiccio cresce.
Una combinazione di informazioni
In questo lavoro, gli scienziati hanno analizzato le osservazioni di circa 1,3 milioni di galassie e 8.000 buchi neri supermassicci. Le osservazioni provengono da Chandra, così come da altri telescopi spaziali, l’osservatorio XMM-Newton e eROSITA. È stato utilizzato quello che viene definito un “design a torta nuziale” nel loro studio. Ciò significa che i dati utilizzati provenivano da diverse fonti. Hanno impiegato indagini generiche di ampie aree del cielo (chiamate “studi a fascio sottile”) fino ad arrivare a studi estremamente approfonditi di regioni del cielo molto più piccole. E queste indagini e studi a più livelli sono simili ai diversi strati di una torta nuziale.
XMM-Newton ed eROSITA hanno generato dati per i livelli intermedio e inferiore con osservazioni ampie e superficiali. Chandra ha contribuito alla parte superiore con osservazioni profonde che hanno coperto un’area più piccola. Ciò ha permesso al telescopio a raggi X di rilevare buchi neri supermassicci in crescita più deboli e più distanti.
Combinando questi dati provenienti da diversi telescopi a raggi X, è stato dunque possibile ricostruire un quadro più completo della crescita di questi buchi neri rispetto a quanto potrebbe fare un singolo telescopio. È stato così possibile capire perché, nell’arco di oltre dieci miliardi di anni, la crescita dei buchi neri supermassicci è passata da frenetica a lenta, fino a diventare quasi immobile.
Le cause del rallentamento
Esistono tre diverse ragioni che potrebbero potenzialmente spiegare il rallentamento della crescita di SMBH. La prima ragione è che il tasso di accrescimento è semplicemente più lento ora, per qualche motivo specifico. La seconda è che le masse tipiche dei buchi neri supermassicci sono ora inferiori. La terza è che semplicemente ci sono meno buchi neri supermassicci in fase di accrescimento attivo ora.
Parte della difficoltà nel distinguere tra le tre categorie risiede nel fatto che due diverse categorie di buchi neri supermassicci possono produrre maggiori emissioni di raggi X. I buchi neri supermassicci più massicci possono produrre molti raggi X, ma lo stesso vale per i buchi neri supermassicci di massa inferiore che si trovano ad accrescere materia più rapidamente. Il modello a strati ha così contribuito a superare questo problema includendo dati provenienti da diversi tipi di indagini. I ricercatori hanno anche combinato osservazioni da diverse lunghezze d’onda, tra cui ottica e infrarossa, che hanno permesso loro di misurare le masse dei buchi neri e i tassi di accrescimento.
Gli scienziati hanno scoperto che la prima spiegazione giustifica al meglio le osservazioni effettuate. I buchi neri supermassicci stanno semplicemente accrescendo materia più lentamente rispetto al passato. Si nutrono principalmente di gas freddo, che è anche il materiale di cui si formano le stelle. Quindi è possibile che le stelle abbiano “rubato” parte del loro nutrimento e dunque la quantità di gas freddo disponibile per essere inghiottita si è ridotta rispetto a quella disponibile durante il Mezzogiorno Cosmico.
Per saperne di più
- Leggi l’articolo originale su Universe Today
- Leggi il paper scientifico intitolato “The Drivers of the Decline in Supermassive Black Hole Growth at z < 2” pubblicato su The Astrophysical Journal
