LID-568: un buco nero che sembra alimentarsi a oltre 40 volte il limite di Eddington

Il caso di LID-568 offre uno sguardo su un buco nero supermassiccio in una fase iniziale della storia cosmica. Si trova al centro di una galassia che esisteva già quando l’universo aveva circa 1,5 miliardi di anni. Il 4 novembre 2024, NSF NOIRLab ha annunciato che un team internazionale aveva studiato l’oggetto utilizzando i dati del telescopio spaziale James Webb (JWST) e dell’osservatorio a raggi X Chandra. Il team ha stimato che LID-568 sembra alimentarsi a un tasso superiore a 40 volte il limite di Eddington e ha rilevato potenti flussi di gas attorno a esso.

Da una sorgente a raggi X alle osservazioni con Webb

Il team, guidato dall’astronoma Hyewon Suh, ha utilizzato Webb per osservare un campione di galassie selezionate dal censimento COSMOS di Chandra. LID-568 ha attirato l’attenzione per la sua intensa emissione di raggi X. Le osservazioni di Chandra, tuttavia, non permettevano di determinare con precisione la posizione della sorgente, rendendo difficile centrarla nel campo di Webb.

Per affrontare il problema, il team ha impiegato lo spettrografo a campo integrale NIRSpec di Webb, invece della tradizionale spettroscopia a fenditura. Questo strumento può ottenere uno spettro per ogni pixel del proprio campo visivo, anziché limitarsi a una striscia stretta. Le osservazioni hanno così coperto sia l’obiettivo sia la regione circostante. Questa copertura ha portato alla rilevazione inattesa di potenti flussi di gas attorno al buco nero centrale.

Chandra e Webb hanno fornito parti diverse dell’osservazione: il censimento a raggi X ha fatto risaltare LID-568 nel campione, mentre NIRSpec ha reso possibile lo studio spettroscopico di una regione più ampia attorno all’oggetto. Questa combinazione ha aiutato il team a caratterizzare una sorgente la cui posizione iniziale non era stata determinata con precisione.

Che cosa indica il limite di Eddington

Il limite di Eddington descrive un equilibrio legato alla luminosità massima che un buco nero può raggiungere e alla rapidità con cui può assorbire materia. La gravità attira il materiale verso il buco nero, mentre la pressione verso l’esterno deriva dal calore del materiale compresso che vi cade. La stima comunicata dal team colloca l’alimentazione di LID-568 al di sopra di tale limite: l’annuncio la descrive come superiore a 40 volte il limite di Eddington.

La cifra è una stima del tasso di alimentazione dell’oggetto, non un’osservazione diretta di ogni passaggio della materia. Il suo interesse consiste nel fornire un caso concreto per studiare una fase di accrescimento super-Eddington, cioè un’alimentazione che supera il limite teorico descritto da Eddington. Il comunicato di NSF NOIRLab osserva che vedere un buco nero supermassiccio in un’epoca così precoce può offrire indizi su come questi oggetti siano cresciuti rapidamente.

Flussi di gas e crescita rapida

I ricercatori hanno utilizzato la velocità e le dimensioni dei flussi osservati per dedurre che una parte sostanziale della crescita di LID-568 potrebbe essere avvenuta durante un singolo episodio di accrescimento rapido. Si tratta di un’interpretazione delle osservazioni, non di una registrazione passo dopo passo della storia del buco nero. Il team ipotizza che una fase di alimentazione oltre il limite di Eddington possa consentire un notevole aumento di massa nel corso di un episodio rapido.

Il risultato è inoltre collegato alle idee sulle “sementi” dei buchi neri supermassicci. I modelli menzionati dal team contemplano semi leggeri, che potrebbero originarsi con la morte delle prime stelle, e semi pesanti, che deriverebbero dal collasso diretto di nubi di gas. Secondo l’interpretazione di Suh riportata nell’annuncio, un episodio di accrescimento rapido potrebbe contribuire in misura significativa alla crescita, sia che il seme iniziale fosse leggero sia che fosse pesante.

I flussi potrebbero aiutare a comprendere come venga regolata un’alimentazione così intensa. Il team propone come possibilità che agiscano come una sorta di valvola di sfogo, liberando parte dell’energia in eccesso ed evitando che il sistema diventi troppo instabile. Questa spiegazione è presentata come un’ipotesi che richiede ulteriori indagini.

Che cosa possono chiarire le osservazioni successive

NSF NOIRLab ha dichiarato che il team intendeva effettuare osservazioni successive con Webb per indagare i meccanismi in atto in LID-568. Queste osservazioni potrebbero contribuire a studiare il rapporto tra accrescimento estremo e flussi di gas, nonché il possibile ruolo di questi ultimi nel sistema. L’ipotesi della valvola di sfogo e la deduzione di un singolo episodio di crescita sono interpretazioni del team basate sulle osservazioni descritte.

L’annuncio del 2024 riferiva che i risultati erano stati presentati in un articolo intitolato “A super-Eddington-accreting black hole ~1.5 Gyr after the Big Bang observed with JWST”, che, secondo NSF NOIRLab, sarebbe apparso su Nature Astronomy. Nel complesso, le osservazioni rendono LID-568 un caso utile per studiare la crescita rapida dei buchi neri supermassicci nell’universo primordiale: il tasso superiore a 40 volte il limite di Eddington è una stima del team, mentre il possibile ruolo regolatore dei flussi resta un’ipotesi.