Le survey profonde ai raggi X sono uno dei principali strumenti di indagine per capire come crescono e si evolvono nel tempo i buchi neri supermassicci (SuperMassive Black Holes, SMBHs). Tali survey ci hanno mostrato che la maggior parte (80-90%) dei SMBHs dell’Universo crescono durante fasi in cui è impossibile rivelare la radiazione prodotta dall’accrescimento nucleare a lunghezze d’onda ottiche e ultraviolette a causa dell’assorbimento prodotto da gas e polveri nelle vicinanze del buco nero. Le survey in banda X hanno svelato l’origine del fondo cosmico a raggi X (Cosmic X-ray Background, CXB), scoperto nel 1962 dal premio Nobel Riccardo Giacconi. Ora sappiamo che il CXB, la prima radiazione di fondo cosmica mai scoperta, è prodotto dalla sovrapposizione di milioni di sorgenti individuali e puntiformi, in maggioranza nuclei galattici attivi (Active Galactic Nuclei, AGN), cioè SMBHs in fase di rapida crescita. Le survey profonde ai raggi X hanno rilevato per prime il cosiddetto downsizing dei SMBHs, cioè ci hanno mostrato che l’abbondanza di AGN di luminosità moderata ha il suo massimo in un epoca cosmica più recente rispetto a quella in cui è massima l’abbondanza dei quasar luminosi.
L’immagine più profonda dell’Universo ai raggi X: il Chandra Deep Field South, 7Ms di esposizione con Chandra (immagine tratta da Luo et al. 2017, ApJS, 228, 2)
Le funzioni di luminosità degli AGN misurate grazie ai dati delle survey profonde ai raggi X ci hanno inoltre permesso di ricostruire in maniera accurata la massa accumulata dai SMBHs per accrescimento di gas durante la loro storia evolutiva. Tale massa è simile alla massa totale misurata per i SMBHs nell’universo locale: questo ci dice sostanzialmente che tutti i SMBHs che osserviamo al centro delle galassie vicine a noi hanno accumulano la loro massa brillando in passato come AGN.
In anni recenti sono emerse nuove evidenze osservative e si sono aperte nuove aree di studio. Siamo ora convinti che la frazione complessiva di AGN oscurati cresca con il redshift – cioè verso epoche più remote – e ciò è particolarmente evidente per gli oggetti più luminosi. L’origine di questo andamento non è ancora chiaro. Da un lato il maggior tasso di fusioni fra galassie ricche di gas che avveniva in epoche passate potrebbe aver favorito l’innesco dell’accrescimento di gas in fasi oscurate. Dall’altro, visto che le galassie ad alto redshift sono in media più ricche di gas e più piccole delle loro controparti locali, la densità di colonna del loro mezzo interstellare (Inter Stellar Medium, ISM), può raggiungere valori estremi. L’aumento della frazione di AGN oscurati in galassie ad alto redshift potrebbe dunque essere spiegata in parte dall’elevata densità del loro ISM.
Le survey profonde in banda X e la modellizzazione del CXB costituiscono una delle principali linee di ricerca di OAS da più di vent’anni. I principali progetti legati a queste tematiche e che vedono una significativa partecipazione del personale OAS (Andrea Comastri, Roberto Gilli, Giorgio Lanzuisi, Stefano Marchesi) sono i seguenti:
- La survey XMM-CDFS: la più profonda survey extragalattica effettuata dal satellite XMM-Newton
- CXB tools: una serie di strumenti e mock catalogs per simulare il CXB ed il cielo extragalattico ai raggi X
- Il Chandra Deep Field South: l’osservazione del cielo più profonda mai effettuata in banda X
- Le survey XMM e Chandra nel campo COSMOS
- L’ osservazione profonda Chandra nel campo J1030