L'interessante caso del QSO J2310+1855

Le prime fasi di formazione ed evoluzione delle galassie sono ricche dei più intriganti misteri. Ad esempio, come è stata possibile la formazione di buchi neri supermassicci in così brevi tempi scala (< 1 miliardo di anni)? Quali sono le proprietà delle galassie durante le prime fasi della loro evoluzione? In che modo il buco nero al centro della galassia influenza l’evoluzione della galassia ospite, questi co-evolvono o uno domina l’altra? 
 
Come obiettivo del nostro lavoro vogliamo gettare luce su questi misteri, rispondendo ad alcune di queste domande e usando come laboratori alcuni dei più potenti oggetti nell’Universo, i quasars (o AGN o QSOs). I quasars sono nuclei galattici attivi (AGN) estremamente luminosi, alimentati da buchi neri supermassicci in accrescimento che risiedono al centro delle galassie, ed esistevano già all’epoca della Reionizzazione, quando l’Universo aveva solo 0.5-1 miliardo di anni.
Nello specifico, abbiamo condotto un’estesa analisi del QSO SDSS J2310+1855 (da qui in poi J2310) situato a meno di 1 miliardo di anni dopo il big bang, uno dei più brillanti QSOs conosciuti di quell’epoca. Ne abbiamo studiato le caratteristiche usando una nuova osservazione ALMA ad alta risoluzione (~900 pc), insieme con altre osservazioni ALMA presenti in archivio. Queste ci hanno consentito di inferire nel dettaglio le proprietà del buco nero supermassiccio e della sua galassia ospite. I nostri risultati suggeriscono che J2310 è stato osservato nella fase in cui l’evoluzione della galassia domina su quella del buco nero. In particolare, attraverso l’analisi dell’emissione del continuo e del carbonio ionizzato ([CII]), si è trovato che la galassia ospite di J2310,  nel momento in cui l’abbiamo osservata, stava formando una enorme quantità di stelle e aveva una grande quantità di gas neutro (tracciato principalmente dal [CII]). Per di più, abbiamo casualmente scoperto un grande disco di vapore acqueo al centro della galassia, che sta ruotando insieme al gas tracciato dal [CII]. Osservare e studiare il vapore acqueo in questo particolare oggetto, durante queste prime fasi dell’evoluzione galattica, è stato un risultato entusiasmante ed inaspettato. Dopo tutto, l’emissione di vapore acqueo è stata rilevata solo in pochi QSOs all’epoca della Reionizzazione, e non solo siamo stati capaci di rilevarla ma, per la prima volta, di eseguire un’analisi dettagliata di questa emissione, determinandone la dimensione e utilizzandola per determinare la massa della galassia, che risulta essere circa 50 miliardi di volte più massiccia del Sole. 
L’acqua e il carbonio sono ingredienti essenziali per comporre la pozione della vita, ed è sorprendente trovarli in grandi quantità quando l’Universo era ancora così giovane. Inoltre, l’acqua può essere utilizzata per derivare le proprietà del mezzo interstellare all’interno della galassia e in particolare, con il nostro studio, abbiamo potuto confermare ulteriormente lo scenario in cui le molecole d’acqua vengono eccitate dalla radiazione ultravioletta riprocessata dalla polvere nella galassia. Perciò l’acqua può essere considerato a tutti gli effetti un tracciante della formazione stellare nella galassia. 
Nonostante questo studio ci abbia consegnato inestimabili informazioni circa la relazione tra la galassia e il suo buco nero supermassiccio, e riguardo la presenza massiccia del disco di vapore acqueo nelle prime fasi della storia dell’Universo, lascia ancora aperte altre interessanti domande che necessitano di una ulteriore investigazione: questo scenario di dominio della galassia sul buco nero è una proprietà condivisa dai quasars a quell’epoca primeva? Quanto è comune trovare un disco di vapore acqueo in questi oggetti e, in questo caso, quali sono le cause di questa massiccia produzione di acqua? 
 
Nota di curiosità: dietro le quinte di questo lavoro si nasconde una storia interessante e a tratti divertente. L’osservazione ALMA ad alta risoluzione da noi analizzata era stata inizialmente pianificata per osservare Serenity-18, un emettitore di monossido di carbonio (CO) associato a un sistema damped Lyman alpha posizionato sulla linea di vista del QSO J2310 (D’Odorico+18). Il setup osservativo copriva sia l’emissione del [CII] di Serenity-18 che quella di J2310, consentendo l’imaging ad alta risoluzione del QSO. Mentre lo studio di Serenity-18 si è concluso con una non-detection, l’analisi del continuo e del [CII] J2310 ci ha consegnato dei risultati sorprendenti, e in modo del tutto casuale abbiamo scoperto e studiato nel dettaglio il disco di vapore acqueo al centro della galassia. E’ incredibile come la natura non cessi mai di sorprenderci.
 
DOI: 10.1051/0004-6361/202243920
ArXiv: https://arxiv.org/abs/2207.03314
 
Per ulteriori dettagli si veda l’articolo “The black hole and host galaxy growth in an isolated z~6 QSO observed with ALMA” di Tripodi R., Feruglio C., Fiore F., et al., A&A.
 

Emissioni del continuo (rosso), [CII] (verde) e vapore acqueo (blu) di J2310; sullo sfondo l'Hubble deep field.