Euclid: più quasar antichi in un anno che in un decennio di ricerche scientifiche

Nell’ultimo decennio, confermare un singolo quasar alimentato da un buco nero che già pesava un miliardo di masse solari quando l’universo aveva meno di un miliardo di anni richiedeva uno sforzo coordinato tra più telescopi e mesi di spettroscopia di follow-up. Il risultato cumulativo di tutti quegli sforzi ammontava a circa dieci oggetti confermati. Nel suo primo anno di attività scientifica, Euclid ne ha confermati dodici.

Questa cifra è il risultato centrale di un articolo del dottorando dell’Università di Leida Daming Yang e colleghi, pubblicato su Astronomy & Astrophysics come parte di un numero speciale di 41 articoli basato sul primo quarto di dati del cielo di Euclid. Il catalogo completo contiene 31 quasar precedentemente sconosciuti risalenti all’epoca più antica dell’universo — antiche sorgenti di luce, ciascuna ardente con l’emissione di circa un trilione di soli, alimentate da buchi neri supermassicci già in atto quando il cosmo era una frazione della sua età attuale.

I due oggetti più distanti del catalogo, denominati EUCL J172902.75+641018.1 e EUCL J125308.55+705432.3, hanno redshift di 7,77 e 7,69, collocandoli tra gli oggetti più distanti mai risolti individualmente in un’indagine. La loro luce è partita quando l’universo aveva circa 670 milioni di anni.

Come Euclid identifica oggetti che sembrano stelle normali

Rilevare quasar antichi è un problema di ago in un pagliaio. A distanze estreme, l’emissione ultravioletta di un quasar è stata allungata dall’espansione dell’universo nel vicino infrarosso, uno spostamento che colloca le sue linee spettrali caratteristiche a lunghezze d’onda che la maggior parte degli strumenti da terra fatica a raggiungere in modo efficiente. Più praticamente, l’aspetto debole e rosso risultante rende questi oggetti quasi indistinguibili da stelle nane M molto più vicine e molto più numerose nelle immagini standard in luce visibile. La maggior parte delle rilevazioni pre-Euclid dipendeva dall’abbinamento di oggetti attraverso diverse indagini di varia profondità e copertura di filtri, per poi dare priorità ai candidati per costosi tempi di osservazione su grandi telescopi.

Euclid affronta entrambi i problemi contemporaneamente. Il suo Near Infrared Spectrometer and Photometer (NISP) copre lunghezze d’onda da 0,95 a 2,0 micron, esattamente dove cade l’emissione Lyman-alpha spostata verso il rosso dei quasar a z≥7, catturando simultaneamente fotometria a banda larga che consente la selezione iniziale dei candidati. L’area dell’indagine, progettata per coprire eventualmente un terzo del cielo a profondità irraggiungibili da terra, genera un volume statistico abbastanza grande da contenere campioni utili degli oggetti più rari. “La loro luce primordiale è debole e facile da confondere con quella di stelle più vicine a noi”, ha dichiarato Antonio La Marca, ricercatore dell’ESA nel team di Euclid.

Il team di Yang ha applicato un algoritmo di selezione fotometrica ai dati Q1, ha identificato candidati compatibili con quasar a z≥7 e ha confermato le rilevazioni utilizzando la modalità spettroscopica del NISP senza richiedere una campagna separata da terra. Il guadagno in efficienza rispetto ai metodi di indagine precedenti è la differenza tra il risultato cumulativo di un decennio e dodici oggetti confermati in un anno.

Cosa significa realmente la soglia di redshift 7

Il redshift quantifica quanto l’universo si è espanso da quando un dato fotone è stato emesso. Un redshift di z=7 corrisponde a un universo che era circa un ottavo della sua dimensione lineare attuale, traducendosi in un tempo di lookback di circa 13 miliardi di anni e un’età cosmica di 670 milioni di anni dopo il Big Bang. In quel momento, l’universo stava completando la reionizzazione, la transizione in cui l’emissione ultravioletta delle prime sorgenti luminose ionizzò l’idrogeno gassoso che aveva mantenuto opaco il cosmo primordiale.

I quasar a z≥7 erano tra i principali motori della reionizzazione, ma sono anche il suo paradosso: richiedono buchi neri supermassicci che sono cresciuti abbastanza velocemente da raggiungere miliardi di masse solari in un punto della storia cosmica in cui, secondo i modelli standard di formazione delle strutture, c’era stato a malapena il tempo di formare le prime stelle. Il buco nero centrale della Via Lattea, Sagittarius A*, pesa circa quattro milioni di masse solari e ha accumulato quella massa nell’intera età di 13,8 miliardi di anni dell’universo. I buchi neri che alimentano i quasar a z≥7 nel catalogo di Euclid pesano da centinaia a migliaia di volte di più, eppure hanno accumulato quella massa in meno del 5% dello stesso lasso di tempo.

“Questi mostri — che pesano miliardi di volte la massa del nostro sole — in qualche modo esistevano già quando l’universo era agli albori”, ha dichiarato Joseph Hennawi, supervisore di Yang presso la UC Santa Barbara e coautore dell’articolo. Trovare più di una dozzina in un singolo anno di dati dimostra che non si tratta di anomalie statistiche: il campione è ora abbastanza grande da essere trattato come una popolazione.

Cosa il catalogo non risolve

Ulteriori rilevazioni confermate rafforzano un caso quantitativo senza ancora discriminare tra i meccanismi di formazione proposti. I candidati principali includono l’accrescimento super-Eddington sostenuto, in cui il gas cade in un buco nero seme più velocemente del limite canonico di pressione di radiazione per periodi abbastanza lunghi da costruire le masse osservate; il collasso diretto di massicce nubi di gas primordiali in buchi neri seme molto più pesanti di qualsiasi resto stellare; e la rapida fusione di densi ammassi stellari primordiali prima che la prima generazione di buchi neri supermassicci si accendesse. Ogni meccanismo deve affrontare vincoli osservativi indipendenti, e i dati di Euclid non includono ancora le caratterizzazioni delle galassie ospiti necessarie per testarli direttamente.

L’articolo di Yang nota che il catalogo di 31 oggetti rappresenta un sottoinsieme luminoso di una popolazione di fondo più ampia, quelli abbastanza luminosi e nella giusta combinazione di redshift e posizione celeste da emergere chiaramente dai dati Q1. I modelli di completezza richiederanno l’intera Euclid wide survey, che continua a osservare. Un avvertimento pratico vale per tutti i 31 oggetti: la caratterizzazione della galassia ospite, essenziale per testare i modelli di formazione, richiede osservazioni più profonde di quelle fornite dall’indagine stessa. Silvia Belladitta dell’Istituto Max Planck di Astronomia di Heidelberg ha condotto la spettroscopia di follow-up per il secondo oggetto più distante del catalogo; campagne da terra pianificate affronteranno l’intero campione.

Domande comuni sui quasar antichi di Euclid

Che cos’è esattamente un quasar e perché la sua luminosità è importante?

Un quasar è il nucleo intensamente luminoso di una galassia alimentato da un buco nero supermassiccio che accresce attivamente il gas circostante. Mentre il materiale si riscalda nel disco di accrescimento, irradia attraverso lo spettro elettromagnetico con una luminosità capace di superare quella di tutte le stelle della galassia ospite messe insieme. Alle distanze qui riportate, solo il motore centrale è rilevabile; la galassia ospite è troppo debole e troppo compatta per essere risolta. La luminosità estrema è ciò che permette a Euclid di rilevare oggetti a 13 miliardi di anni luce di distanza.

Perché questi oggetti sono descritti come un problema per la cosmologia?

I modelli standard di crescita dei buchi neri stabiliscono un limite naturale ai tassi di accrescimento, noto come limite di Eddington. Un seme di massa stellare, il più grande buco nero che una stella può lasciare dietro di sé, accrescendo continuamente a questo tasso non può raggiungere un miliardo di masse solari nel tempo disponibile tra il Big Bang e l’epoca in cui questi quasar esistono. Trovare più di una dozzina in un singolo anno di indagine significa che sono abbastanza comuni da non poter essere spiegati da un singolo evento esotico; il meccanismo di formazione deve funzionare su larga scala.

Come si confronta Euclid con le indagini precedenti per questo tipo di oggetto?

L’Euclid Wide Survey coprirà eventualmente circa 14.000 gradi quadrati a sensibilità nel vicino infrarosso che le indagini da terra non possono eguagliare su aree comparabili. La generazione precedente di indagini, tra cui lo Sloan Digital Sky Survey e l’UKIRT Infrared Deep Sky Survey, ha identificato la maggior parte del precedente catalogo di quasar a z≥7 in oltre un decennio di osservazioni combinate. Lo strumento NISP di Euclid esegue simultaneamente la selezione iniziale e lo screening spettroscopico, comprimendo in un unico passaggio osservativo ciò che in precedenza richiedeva campagne separate.

Cosa succede dopo in questo programma di ricerca?

È prevista una spettroscopia di follow-up da terra per l’intero campione di 31 oggetti per affinare le misure di redshift e caratterizzare le galassie ospiti. Ulteriori rilasci di dati di Euclid amplieranno il catalogo man mano che l’indagine ampia accumula area celeste. Il rilascio dei dati Q2 di Euclid, che ha coperto il rigonfiamento galattico della Via Lattea con 60 milioni di stelle catturate in 26 ore di osservazione, è stato pubblicato a fine giugno; i rilasci successivi aggiungeranno più area extragalattica rilevante per le ricerche di quasar ad alto redshift. “Trovandoli e studiandoli”, ha scritto Yang, “possiamo capire meglio come questi sistemi enormi si siano formati e cresciuti così rapidamente.”

Riferimento: Yang et al., “Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,” Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

Tag: astronomia, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars