Da quando ne è stata annunciata la scoperta, i little red dots (puntini rossi, in italiano) stanno dando non poco filo da torcere agli astronomi che provano a decifrarne la natura. Secondo le teorie più accreditate, questi oggetti dalla forma compatta e colore rossastro sarebbero alimentati niente meno che da buchi neri supermassicci che stanno ingurgitando materia. Di buchi neri stanziati nel centro delle galassie e che inghiottono il gas che si trova nei paraggi l’universo è pieno zeppo. Solo che quel che accade dentro i little red dots ha delle caratteristiche peculiari. Che con fatica gli scienziati stanno provando a spiegare. Come di fronte a un puzzle oltremodo impegnativo.

Puzzle che un gruppo di ricercatori dice di aver risolto su un articolo uscito su The Astrophysical Journal la scorsa settimana. Il primo autore dello studio è Vasily Kokorev, dell’Università del Texas ad Austin. La chiave di volta è uno spettro ottenuto con NirSpec, uno degli strumenti a bordo del telescopio spaziale James Webb. Il più profondo mai ottenuto per un little red dot.

«Quando abbiamo visto lo spettro per la prima volta, è stato come avere tutti i pezzi di un puzzle sparsi sul pavimento», afferma Kokorev. «Abbiamo raccolto ogni pezzo del puzzle, misurato le righe e iniziato a combinare i diversi pezzi per formare un mosaico. Forse alcuni pezzi all’inizio sembravano insignificanti, ma poi un paio di essi si sono uniti e ci siamo resi conto che eravamo davanti a qualcosa di importante».

Lo spettro in questione appartiene a Glimpse-17775, un puntino rosso situato a dodici miliardi di anni luce dalla Terra. Il puntino suddetto si trova dietro l’ammasso di galassie Abell S1063. Condizione che, in virtù di un fenomeno chiamato lensing gravitazionale, consente di amplificarne la luce. Per tale ragione, è come se lo spettro dell’eloquente puntino fosse stato ottenuto con ottanta ore di osservazione, benché NirSpec abbia guardato la sorgente “solo” per venti.

L’ammasso di galassie Abell S1063 immortalato dal telescopio Webb. Il puntino rosso Glimpse-17775 (visibile nel riquadro arancione in basso) si trova dietro l’ammasso e la sua luce viene amplificata da un fenomeno detto lensing gravitazionale. Uno zoom di Glimpse-17775 è mostrato nel riquadro in alto a destra. Crediti: Nasa, Esa, Csa, V. Kokorev. Elaborazione dell’immagine: A. Pagan

Lo spettro contiene oltre quaranta righe, che non sono altro che i segnali prodotti dagli elementi chimici di Glimpse-17775. Righe immortalate dallo strumento con dovizia di dettagli e che gli scienziati hanno potuto studiare minuziosamente. Scoprendo che Glimpse-17775 sarebbe una black hole star (letteralmente, “stella buco nero”). Con questa espressione gli scienziati intendono un buco nero imbozzolato in un nugolo di gas molto denso e parzialmente ionizzato. Questo bozzolo di gas ricorda un po’ gli strati più esterni delle stelle. Rassomiglianza che spiega il nome di “stella buco nero”. Si tratterebbe dell’evidenza più stringente a oggi nota di un oggetto di tale natura.

«Credo che parte della comunità scientifica stia convergendo su un’unica visione: che i piccoli punti rossi possano essere spiegati dai modelli delle black hole star. Ma nessuno dei precedenti little red dots presentava le prove tutte insieme», continua Kokorev. «Con Glimpse-17775 possiamo testare questi modelli grazie alla profondità e alla straordinaria ricchezza dello spettro di questa sorgente».

Quali sarebbero le evidenze a favore del modello di stella buco nero raccolte dai ricercatori? Fondamentalmente tre. In primo luogo, le righe di elementi quali idrogeno, ossigeno e elio non sarebbero spiegabili a causa della sola rotazione del gas attorno al buco nero. Sembrerebbe intervenire un effetto ulteriore, denominato scattering degli elettroni, che contribuirebbe ad allargare le righe. Questo effetto suggerisce che sia presente un bozzolo stratificato di gas che avvolge il puntino rosso.

In secondo luogo, i ricercatori hanno rivelato ben sedici righe del ferro e alcune righe dell’ossigeno che non sarebbero visibili senza la presenza di una sorgente altamente energetica quale un buco nero supermassiccio in fase di accrescimento.

Infine, la presenza di alcune righe fluorescenti unita all’assorbimento nel profilo dell’elio depone a favore di un mezzo ad alta densità che circonda il buco nero.

Il modello di stella buco nero sarebbe in grado di spiegare perché i little red dots non emettono raggi X. Questa radiazione verrebbe infatti assorbita dal bozzolo di gas.

Alcune delle righe osservate in Glimpse-17775. Si nota la forte emissione dell’idrogeno e le righe di ossigeno, elio e zolfo. Nell’oggetto sono state osservate oltre quaranta righe che supportano lo scenario che Glimpse-17775 costituisca una stella buco nero (black hole star). Crediti: Nasa, Esa, Csa, V. Kokorev. Design di L. Hustak

Tuttavia, rispetto ad altri puntini rossi, Glimpse-17775 presenta un Balmer break molto debole. Per Balmer break si intende una discontinuità nello spettro delle sorgenti astronomiche situata alla lunghezza d’onda di 364.5 nanometri. I little red dots presentano spesso un Balmer break molto pronunciato in uno spettro dalla caratteristica forma a “V”. Unendo le immagini dei telescopi Webb e Hubble, i ricercatori si sono accorti che Glimpse-17775 risiede in una galassia molto estesa. Le giovani stelle della galassia emettono parecchia radiazione ultravioletta che andrebbe a “livellare” la forma a V dello spettro. A oggi delle galassie che ospitano i little red dots si sa molto poco, perché sono difficili da osservare. Gli scienziati che hanno firmato questo studio affermano che l’osservazione di una galassia ospite di grandi dimensioni non contraddice il modello di stella buco nero.

Il buco nero di Glimpse-17775 è massiccio quanto cinque milioni di sole. Questo valore è più basso delle masse tipiche dei buchi neri nei little red dots. Uno delle questioni aperte delle ricerche attuali è capire come dei buchi neri così massicci abbiano potuto formarsi nell’universo lontano. Il buco nero di Glimpse-17775, essendo poco massiccio, sarebbe spiegato dalle teorie attuali senza particolari difficoltà.

«Tutto combacia, niente è rotto, e penso che questo renda il puzzle che è il nostro universo ancora più bello», conclude Kokorev. «Guardando al futuro, non vedo l’ora di immergermi più a fondo e scoprire cosa alimenta i motori centrali di questi piccoli punti rossi. Anche se pensiamo che sia un buco nero, ci sono altre teorie interessanti che vengono proposte, il che è entusiasmante. Forse tra un anno o due avremo la risposta definitiva su cosa alimenta queste sorgenti».

Per saperne di più:

• Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “The Deepest GLIMPSE of a Dense Gas Cocoon Enshrouding a Little Red Dot” di Vasily Kokorev, John Chisholm, Rohan P. Naidu, Seiji Fujimoto, Hakim Atek, Gabriel Brammer, Steven L. Finkelstein, Hollis B. Akins, Danielle A. Berg, Lukas J. Furtak, Qinyue Fei, Tiger Yu-Yang Hsiao, Ivo Labbé, Jorryt Matthee, Julian B. Muñoz, Pascal A. Oesch, Richard Pan, Pierluigi Rinaldi, Alberto Saldana-Lopez, Daniel Schaerer, Marta Volonteri e Adi Zitrin

Le stelle brillano perché al loro interno avviene la fusione nucleare, che libera energia. Quando una stella massiccia esaurisce il proprio combustibile nucleare, la pressione di radiazione non è più in grado di controbilanciare la gravità e l’astro collassa fino a ridursi a un unico punto: la cosiddetta singolarità.

Sebbene la formazione di un buco nero appaia plausibile, i buchi neri restano una sfida notevole per la scienza. Come possono dieci miliardi di masse solari concentrarsi in un unico punto minuscolo? Come può lo spaziotempo curvarsi all’infinito in quel punto? Lì, nella singolarità, le leggi della fisica crollano, rendendo impossibile prevedere ciò che accade. Inoltre, i buchi neri nascondono ogni informazione all’osservatore: tutto, compresa la luce, scompare irrimediabilmente oltre l’orizzonte degli eventi.

È possibile che i buchi neri siano in realtà oggetti completamente diversi, come stelle ultracompatte che non possono essere osservate a causa della loro intensa gravità e, per questo, vengono chiamate gravastar. Oltre alla materia ordinaria presente nei loro strati esterni, sarebbero colme di energia oscura, che esercita una pressione verso l’esterno e ne stabilizza la massa, altrimenti tendente a collassare. Le gravastar sono più facili da accettare per i fisici rispetto ai buchi neri perché non coinvolgono né una singolarità né un orizzonte degli eventi e, tuttavia, sono quasi altrettanto massicce e compatte. Ciò che era rimasto poco chiaro, tuttavia, era come tali oggetti potessero formarsi in pratica.

Un mini universo in espansione potrebbe controbilanciare la materia in collasso di una stella, creando così una gravastar stabile. Crediti: Daniel Jampolski and Luciano Rezzolla, Goethe University Frankfurt

I due fisici teorici Daniel Jampolski e Luciano Rezzolla della Goethe University hanno ora presentato per la prima volta una soluzione dinamica alle equazioni di campo della relatività generale di Albert Einstein che descrive il collasso di una stella e la possibile formazione di una gravastar. La soluzione – pubblicata su Physical Review D – mostra come il collasso possa innescare la creazione di un mini-universo all’interno della materia che collassa, non molto diversamente dal Big Bang da cui è emerso il nostro universo. E come per il nostro universo, anche la sua espansione è guidata dall’energia oscura.

In questo modo, l’espansione del nuovo universo contrasta le forze gravitazionali e arresta il collasso della stella prima che possa formarsi un buco nero. Si instaura così un equilibrio tra il mini-universo in espansione e la materia in collasso, ed è proprio questo equilibrio a dare origine a una gravastar stabile. Con questa soluzione alla relatività generale, i fisici di Francoforte hanno fornito la prima risposta a una domanda dibattuta da 25 anni: come si formano le gravastar durante il collasso della materia ordinaria?

«Il Big Bang dell’universo nascente può verificarsi quando la stella è già collassata quasi al punto da diventare un buco nero», spiega Jampolski, che ha scoperto la soluzione nella sua tesi di laurea magistrale sotto la supervisione di Rezzolla, professore di astrofisica teorica alla Goethe University. Il comportamento della materia estremamente compressa, ancora non compreso, lascia spazio a una nuova fisica: «È più facile immaginare che il Big Bang avvenga solo in una fase molto avanzata, quando la materia è già stata compressa a un livello estremo, dando così origine a nuovi effetti».

«Cercare alternative ai buchi neri non dovrebbe suggerire scetticismo nei loro confronti, poiché essi rappresentano ancora la soluzione più naturale e semplice al destino del collasso gravitazionale», conclude Rezzolla. «Tuttavia, come scienziati in generale, e come fisici teorici in particolare, è essenziale mantenere un approccio imparziale verso ciò che non conosciamo ed esplorare quindi sia l’opinione diffusa sia le interpretazioni più esotiche. La storia ci insegna che non è insolito che queste ultime diventino le prime».

Per saperne di più:

• Leggi su Physical Review D l’articolo “Formation of gravastars” di Daniel Jampolski e Luciano Rezzolla