Nonostante l’attuale folto proliferare di studi basati su simulazioni numeriche sempre più complesse e ardite, l’ambito cosmologico sembra al momento offrire poche vere novità osservative, è quindi tanto più opportuno dedicare qualche rigo a tali rarità, tanto per non dimenticare che astronomia e astrofisica sono discipline elettivamente sperimentali e pertanto intimamente legate al caro vecchio dato acquisito dagli strumenti.

Nel caso specifico è il solito James Webb Space Telescope ad aver scovato qualcosa di inedito sprofondato nell’universo primordiale, un elemento estraneo ed enigmatico individuato mentre l’occhio infrarosso scandagliava alla ricerca di tutt’altro.

E’ accaduto nel 2022 e la singola sorpresa si è successivamente moltiplicata fino a dar luogo a una popolazione di oltre 300 oggetti (finora, ma siamo solo all’inizio delle campagne osservative dedicate), tutti comparsi nell’universo molto giovane, di età di circa 600 milioni di anni, e poi rapidamente andati incontro all’estinzione, avvenuta circa un miliardo di anni dopo.

Gli enigmatici oggetti sono stati battezzati “little red dots” (LRDs) a motivo del loro aspetto nelle immagini del campo profondo restituite dal JWST che appunto mostrano minuscoli puntolini estremamente arrossati (fig. 1).

Inizialmente si è ipotizzato che i curiosi oggetti celesti fossero galassie estremamente giovani e molto diverse da quelle presenti nell’universo locale, ormai vecchio di 13.8 miliardi di anni, tuttavia rappresenta un enigma il fatto che esse, se galassie sono, devono essere composte da stelle molto vecchie, rosse e fredde, tipiche di uno stadio evolutivo molto avanzato, caratteristiche certamente incompatibili con l’età dell’universo giovanissimo che popolano, un’incongruenza che rappresenta un’importante criticità nell’attuale modello evolutivo dell’universo giovane.

I “puntini rossi” sono stati perciò studiati con attenzione nel corso del 2024 e le analisi spettrali della luce da essi proveniente ha permesso di iniziare a definire meglio alcune loro caratteristiche (programma RUBIES “Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey”); in particolare densità e luminosità sono apparse essere subito troppo elevate per essere compatibili con i modelli evolutivi delle galassie giovani, che di conseguenza andrebbero radicalmente rivisti introducendo processi di formazione inediti e mai osservati.

I calcoli fatti per stimare la densità stellare dei Little Red Dots hanno prodotto risultati strabilianti: in uno spazio cubico di 1 anno luce di lato dovrebbero esserci in media diverse centinaia di migliaia di stelle (per un confronto basta considerare che nel medesimo cubo di spazio centrato sul sistema solare l’unica stella presente è il Sole).

Tra i tanti LRDs indagati uno in particolare, battezzato “The Cliff”, giovane, più grande degli altri e situato ad una distanza di 11.9 miliardi di anni luce (z=3.55), ha mostrato caratteristiche spettrali talmente nette e peculiari da renderlo il candidato ideale per studiare l’intera categoria di questi nuovi oggetti.

Lo spettro della radiazione proveniente da “The Cliff”, risolto magistralmente dalle straordinarie potenzialità dello strumento NIRSpec del JWST, mostra, tra altre caratteristiche di grande interesse, un dettaglio importante: una “discontinuità di Balmer” (o “Balmer Break”) eccezionalmente pronunciata, cioè una eclatante variazione nell’intensità dello spettro in corrispondenza della banda dell’idrogeno (circa 0.364 μm), come mostra fig. 2.

Ampliando il campione delle sorgenti con cui paragonare l’entità della discontinuità di Balmer di “The Cliff” l’eccezionalità di questa sorgente appare ancora più evidente; ma non basta: un secondo LRD di recente scoperta fa capolino accanto al primo ed entrambi mostrano una discontinuità di Balmer più che doppia rispetto alle altre sorgenti note (fig. 3).

A completare il quadro si aggiunge il fatto che lo spettro di “The Cliff” indica anche una minima metallicità della sorgente, cioè una scarsissima presenza di elementi più pesanti dell’idrogeno a fronte della estrema preponderanza di quest’ultimo, in accordo con il fatto che in generale la discontinuità di Balmer è indicativa dell’esistenza di una sorgente formata da una rilevante frazione di atomi di H con l’elettrone nel livello energetico n=2 o superiore, quindi che hanno subito una ionizzazione ad opera di fotoni altamente energetici (quanto più essi sono numerosi tanto più la discontinuità è pronunciata).

Altre analisi condotte sui dati spettrali di “The Cliff”, unite al fatto che non è stata individuata nessuna significativa sorgente di raggi X a esso associata, hanno infine condotto a formulare un’ipotesi molto interessante per spiegare la natura di questo LRD, e quindi degli altri suoi analoghi, ipotesi ritenuta sufficientemente fondata a motivo della ottima qualità dei dati osservativi.

Esclusa la possibilità che sia un oggetto composto ad emettere la radiazione (una galassia, sia essa attiva o quiescente) per via anche dell’estrema densità stellare necessaria a spiegare le caratteristiche spettrali tanto particolari di “The Cliff”, il candidato più plausibile sembra essere una sorgente singola, molto luminosa e ionizzante, fortemente arrossata da un viluppo molto denso di gas ad essa circostante.

Un simile oggetto richiama per analogia un buco nero supermassivo in accrescimento (analogo ai buchi neri al centro di galassie attive), tuttavia la mancanza di un riscontro nel dominio dei raggi X e del medio infrarosso costituiscono elementi che mettono in crisi l’ipotesi poiché manca l’evidenza della radiazione emessa da gas e polveri surriscaldate nel processo di accrescimento stesso.

Al momento l’unico modello che mostri un buon, se non ottimo, accordo con i dati sperimentali richiede l’introduzione di un oggetto celeste inedito, per il quale è stata coniata la denominazione di “Black Hole Star” (BH*), ubicato nel nucleo di una galassia molto giovane.

Il nome è fuorviante perché non si tratta di una stella ma di un vero e proprio buco nero supermassiccio circondato dal classico disco di accrescimento avvolto da una gigantesca e spessa sfera di idrogeno molto denso e agitata da turbolenze assai più violente di quelle presenti di norma nelle atmosfere stellari.

Il meccanismo alla base dell’emissione luminosa è molto simile a quello stellare, salvo il fatto che non vi è alcuna fusione nucleare (e in tal senso il termine “star” usato nella denominazione è improprio, ma del resto anche un “black hole” non è un buco): l’energia emessa dal BH* è invece conseguenza del classico processo di accrescimento del buco nero che occupa il centro dell’immensa bolla di idrogeno circostante; l’aspetto esteriore di un simile oggetto sarebbe quello di una stella piuttosto fredda ma di dimensioni enormi.

Nel caso di “The Cliff” il BH* è talmente massivo (stimata una massa di circa 10⁷ masse solari, mentre il raggio del LRD è stimato tra 40 e 58 pc) e l’emissione tanto energeticamente preponderante rispetto alla galassia ospite da essere quasi del tutto responsabile della luminosità (e delle caratteristiche spettrali) dell’intera sorgente, mentre per gli altri LRDs il BH* è meno potente e la luminosità e lo spettro risultanti sono in parte dovute anche alle stelle e al gas della galassia circostante.

Il modello è allo stadio iniziale e nuove campagne osservative con il JWST (il dominio da indagare resta quello dell’infrarosso) potranno fornire ulteriori dati a supporto dell’ipotesi, ma è di rilievo il fatto che un simile oggetto potrebbe teoricamente sostenere ritmi di accrescimento tali da permettere al buco nero di raggiungere masse gigantesche (da molti milioni fino ad un miliardo di masse solari) in tempi compatibili con i correnti modelli evolutivi dell’universo giovane, che altrimenti lascerebbe inspiegata la presenza dei buchi neri supermassivi al centro delle galassie attive.

Ma molte sono le domande che sorgono dall’ipotesi BH*: come si sono formati questi oggetti? Se il buco nero inghiotte materia a ritmi così elevati è necessario un continuo rifornimento che rimpingui la sfera di idrogeno, ma una simile struttura come si è formata? Quale meccanismo la rifornisce?

Forse quella dei Black Hole Star è una buona strada, ma sembra molto lunga. E dire che tutto è scaturito da semplici puntolini rossi.

 

1 - https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2025/09/aa54681-25/aa54681-25.html