2/10/18

L'INFINITO TEATRO DEI BUCHI NERI (6): I quasar, fari nella notte *

Questo articolo è stato inserito nella pagina d'archivio dedicata ai buchi neri, che tratta l'argomento in modo organico.

 

C'era una volta, tanti miliardi di anni fa, un giovane Universo che faceva di tutto per nascondere i vagiti delle sue prime creature da sguardi indiscreti... un dispetto nei confronti dei futuri esseri pensanti che tanto avrebbero voluto osservarle? uno stimolo per farli impegnare a sviluppare tecnologie sempre più sofisticate? una sfida alle loro capacità di comprensione? oppure semplicemente un'ancestrale istinto di protezione di un genitore amorevole e attento alla crescita dei propri figli, in attesa che siano capaci di affrontare da soli il percorso della vita?

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I motivi di questa scelta non li conosceremo mai, ma lo studio dell'era oscura (la "dark age" che inizia subito dopo la radiazione cosmica di fondo e prosegue per svariate centinaia di milioni di anni, ovvero fino a quando la luce di neonate stelle e galassie riesce finalmente a squarciare le tenebre ) è un obiettivo fondamentale al quale gli scienziati stanno lavorando per inserire un tassello importante nel puzzle della conoscenza del Tutto. In attesa del telescopio spaziale Webb, il cui lancio è attualmente previsto per il 2021 e che dovrebbe consentire un passo enorme in questa direzione, i quasar sono tra i pochi oggetti celesti la cui luce riesce ad attraversare la "nebbia" dell'era oscura e a raggiungere i nostri telescopi.

Quasar è l'acronimo di "quasi stellar radio source": si tratta di antichissime galassie con un nucleo molto brillante, a causa delle emissioni di "affamatissimi" buchi neri galattici. Tanto brillanti e tanto distanti che di loro si vede solo il nucleo, quindi, ai nostri occhi, assumono un aspetto puntiforme (tipo quello di una stella) e non quello tipicamente nebuloso delle galassie più vicine.

Cerchiamo di approfondire la conoscenza di questi importanti attori del Teatro del Cosmo, riproponendo la lettura di alcuni articoli già apparsi sulle pagine di questo Circolo e dei link in essi contenuti.Daniela

 

Una foresta nello spazio

(2/5/2014)

Premessa: Significato di FORESTA DI LYMAN

L’Universo non è vuoto: se osserviamo un certo oggetto celeste, che sia una stella o una galassia, dobbiamo mettere in conto che la sua luce può avere incontrato lungo la sua strada qualcosa in grado di disturbarla. L’Universo non è certo vuoto e più la luce ha dovuto viaggiare e più è probabile che qualche ammasso di gas si sia trovato proprio lungo la traiettoria spazio-temporale che lo lega a noi. Ciò che vediamo, quindi, deve in qualche modo recare i segni di questi intrusi che si sono piazzati proprio tra l’oggetto celeste e l’osservatore.

Ovviamente, queste nubi non emettono luce, essendo composte essenzialmente da idrogeno neutro e quindi da materia inerte e invisibile. Tuttavia, disturbano certamente le sorgenti lontane. Ad esempio, qualche lunghezza d’onda della luce potrebbe essere bloccata del tutto, mentre altre molto meno (vedi QUI fig. 24).

Se volessi studiare solo la sorgente dovrei scegliere le lunghezze d’onda che meglio riescono a superare queste barriere nuvolose. Soprattutto dovrebbero essere molto energetiche per arrivare fino a noi. In altre parole, il Sole si vede anche attraverso nuvole leggere. Parlando di oggetti primitivi e antichissimi  (rispetto ad oggi) dovremmo tener conto del redshift, ossia di quanto la lunghezza d’onda originaria sia stata allungata durante il percorso, a causa dell’espansione dell’Universo. E’ il solito vecchio problema, amore e odio degli astronomi.

Tuttavia, ormai è diventato un utile grattacapo e se si sceglie una certa linea di emissione, in cui la sorgente è particolarmente “vivace”, essa si riesce a riconoscere anche dopo che è stata spostata verso il rosso e ha attraversato le varie nubi dislocate lungo il suo percorso. La limitata velocità della luce, rispetto allo spazio da percorrere, diventa uno strumento fondamentale per misurare il Cosmo. Lo spostamento tra l’emissione teorica e quella osservata riesce a indicare la data del viaggio. Basta applicare una semplicissima formula che lega il redshift e lo spostamento della lunghezza d’onda. La possiamo scrivere subito:

λ = λ0(1 + z)

Conoscendo la lunghezza d’onda di partenza (λ0) e misurando quella di arrivo, osservata nello spettro della sorgente, posso subito ricavare z, ossia il redshift e quindi la distanza dell’oggetto in esame o –meglio- il tempo che ha impiegato la sua luce per giungere fino a noi.  Fin qui ben poco di nuovo. Le nubi di gas non sono riuscite a rovinarci la misura.

Si potrebbe, però, cercare di studiare anche loro. La scelta della lunghezza d’onda di riferimento deve essere, allora, ben indirizzata. Deve essere tale che i suoi fotoni siano in grado di lasciare un segno indelebile nello spettro della sorgente quando incontrano la nube. Magari proprio “sparendo” del tutto. Ad esempio, cedendo la propria energia nel far saltare un elettrone di orbita.  L’arrivo di quella lunghezza d’onda sulla nube creerebbe una riga d’assorbimento netta e ben visibile. Una segnale che indica chiaramente che la lunghezza d’onda ha colpito nel segno. Ma questa interruzione di luce, che capita solo per una certa lunghezza d’onda, verrebbe anch’essa spostata dal redshift prima di giungere fino a noi, ma, sicuramente, meno di quanto si sia spostata la linea di emissione della stessa lunghezza d’onda che è partita dalla sorgente.

La nube è più vicina a noi e la riga si è formata lì. La riga mi dice, quindi, dove è situata la nube, in quanto posso misurare, come prima, la differenza tra la lunghezza d’onda originale (che conosciamo benissimo perché è quella che causa il fenomeno) e quella che si osserva oggi. Come ben sappiamo, questa differenza è legata al redshift della nube perché indica lo spostamento della riga da quando è stata creata fino ad oggi. Ovviamente più la nube è vicina a noi e minore è lo spostamento osservato.

Il discorso è allora abbastanza semplice: si deve scegliere una lunghezza d’onda che ci faccia vedere la sorgente che l’ha emessa, ma anche tutte le varie interruzioni che ha subito e che hanno dato luogo alle righe di assorbimento.

Cosa succede, in pratica, se scegliamo, ad esempio, la linea Lyman Alpha, che ha una lunghezza d’onda di 1215.7 A (Angstron)? La sua emissione parte dalla sorgente e giunge fino a noi indicando il suo redshift. Tra parentesi, l’emissione avviene proprio quando un elettrone scende di orbita liberando un fotone, proprio l’inverso di quello che succede nella nube. A questo punto so quindi chi ha causata l’emissione e dove si trova. La luce della sorgente, però, prima di arrivare da noi, incontra la prima nube. L’emissione nella lunghezza d’onda originale, di 1215.7 A, non interessa più (lei ormai serve solo per essere misurata oggi) dato che ha ormai spostato la sua lunghezza d’onda a causa del redshift subito nel percorso tra sorgente e nube. Passa e va senza lasciare segni, diretta verso di noi che la stiamo aspettando con trepidazione. Tuttavia, la luce che è partita dalla sorgente era composta da molte altre lunghezze d’onda, molte delle quali più corte della Lyman Alpha. Tra loro, ve ne sarà una che si è spostata, a causa del redshift, di quel tanto che basta per essere, nel momento magico dell’incontro con la nube, uguale proprio a 1215.7 A. Le luce giusta al momento giusto. L’energia è quella necessaria per bloccarsi, trasferendosi agli elettroni e generare una riga di assorbimento.

Per lei quello è il punto zero che si riferisce, ovviamente, a 1215.7 . Ha appena iniziato il suo viaggio e quando arriverà all’osservatore si sarà spostata verso il rosso, ma in maniera minore di quanto non abbia fatto la linea  di emissione partita dalla sorgente. D’altra parte, è più vicina a noi.

Possiamo proseguire, ma il processo non cambia. Alla nube successiva ci saranno sicuramente dei fotoni con lunghezza d’onda di 1215.7 che daranno vita a una nuova riga di assorbimento. Essa inizia il suo viaggio verso di noi, ma da distanza ancor più ravvicinata, e, quindi, quando arriverà da noi si sarà spostata ancora meno verso il rosso. Insomma, ogni nube lascia un segno indelebile a quella lunghezza d’onda e le righe che vediamo nello spettro finale ci dicono a che distanza si trovavano le nubi incontrate durante il viaggio.

Più nubi ci sono e più righe di assorbimento si vedono a lunghezze d’onda  “apparentemente” tutte diverse, ma relative sempre e soltanto alla lunghezza di 1215.7 A.  Questa selva di righe di assorbimento viene proprio chiamata “foresta” di Lyman. Quelle meno spostate verso il rosso ci indicano le nubi più vicine a noi, quelle più spostate si riferiscono a posizioni sempre più vicine alla sorgente.

La Fig. 1 riassume quanto detto. Vi è una sorgente posta a z = 3 (redshift) la cui linea di emissione si è spostata nello spettro osservato fino a 4862 A. Poi tre nubi a z = 2.5, 2 e 1.5  che mostrano la loro riga di assorbimento a 4255, 3647 e 3039 A, rispettivamente. Ricordiamo che sia alla partenza dal quasar (emissione), sia ogni volta che la luce ha incontrato una nube (assorbimento) la lunghezza d’onda era la stessa 1215.7.

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Figura 1

La Figura 2 può anche aiutare nella comprensione. Sullo spettro del lontano quasar (non è indicata la linea di emissione, ma sarà verso il rosso spinto) le varie nubi lasciano le loro righe di assorbimento (quelle nere) in zone diverse a seconda della loro distanza.

fig.2
Figura 2

La Fig. 3 mostra gli spettri di due quasar, uno piuttosto vicino (sopra) e uno molto lontano (sotto). Nel primo caso è ovvio che le nubi siano in numero minore, sia perché lo spazio percorso dalla luce è più corto sia perché più si va indietro nel tempo e più numerose sono le nubi neutre in attesa di formare qualcosa. Le lunghezze d’onda in ascissa sono state riportate a quelle che avevano alla “partenza” dai quasar.

fig.3
Figura 3

La linea Lyman Alpha nasce nell’ultravioletto e quindi non sarebbe visibile da Terra nella sua versione originale (l’atmosfera blocca l’ultravioletto). Ci riesce, invece, se è abbastanza spostata verso il rosso. Da ciò segue che le nubi troppo vicine a noi, e quindi ancora nella zona ultravioletta, rimangono inosservate. Ma interessandoci i quasar, e le loro vicinanze, siamo più che soddisfatti. Ovviamente, forma, profondità, larghezza della riga, donano informazioni preziose sulla nube, sia relativamente alla massa che alla grandezza e addirittura alla velocità.

Possiamo ora parlare di due news che, in qualche modo sono legate al procedimento appena descritto.

In mezzo alla nebbia

Questa ricerca cade proprio a fagiolo. La sorgente è però un Gamma Ray Burst, l’esplosione di una stella supermassiccia molto, molto vecchia. Lo studio delle righe di assorbimento nelle sue vicinanze ha gettato luce su un periodo in cui le stelle e le galassie stavano ancora lottando contro la nebbia precedente la fase di re–ionizzazione, quando l’Universo si sarebbe finalmente rischiarato.

L’inizio della nuova era è stato innescato dalle prime galassie che si sono accese e dalle loro stelle. Gli atomi di idrogeno smettevano di essere neutri e cominciavano a gettare luce e ad eccitare tutto ciò che li circondava in una reazione a catena. In questa impresa ciclopica, i nostri pionieri si trovavano immersi in nubi dense di gas neutro. Proprio le radiazioni UV diedero il via alla vita luminosa dell’Universo “moderno”.  Sarebbe, quindi, fondamentale sapere  quando tutto ciò è cominciato. Bisogna, però, disporre di sorgenti ultra-luminose, immerse ancora in quella nebbia.

Oggi si è in grado di distinguere fenomeni molto energetici relativi a circa un miliardo di anni dopo il Big Bang. Intorno a loro dovrebbe ancora esserci molta nebbia, proprio quella che si vorrebbe studiare. Come abbiamo detto prima, i quasar sono quasi perfetti, ma sono anche in grado di ionizzare il gas che li circonda e quindi complica la vita alle righe di Lyman. Molto meglio poter individuare un’esplosione stellare, localizzata e simultanea, ossia un GRB, che probabilmente avrebbe intercettato idrogeno neutro ancora abbastanza vicino. Impresa difficilissima, ma non impossibile per il telescopio Subaru che è riuscito a osservare GRB 130606A e a studiare il suo spettro in grande dettaglio.

L’oggetto ha un redshift molto alto, prossimo all’era di re-ionizzazione (stimata teoricamente), di 5.9. (oggi, la famosa riga a 1215.7 è arrivata fino a circa 8400 A!). Le righe di assorbimento vicine allo “scoppio” vanno d’accordo con grandi quantità di idrogeno neutro, almeno pari al 10% dell’idrogeno totale.  Questa percentuale può essere la prima indicazione diretta e osservativa del rapporto tra gas neutro e gas ionizzato che esisteva circa un miliardo di anni dopo il Big Bang. Una foto, ancora locale, di ciò che poteva essere la situazione che circondava le prime luci osservabili dell’Universo. Un punto di partenza fondamentale per i futuri telescopi  che avranno occhi ben più potenti. La nebbia si sta diradando anche ai nostri occhi e non solo nella nostra mente.

Articolo originale QUI

La materia semi-oscura

Questa ricerca è meno legata alla foresta di Lyman, in quanto studia in particolar modo le linee di emissione della stessa lunghezza d’onda. Tuttavia, si riferisce sempre a materia composta da gas primordiale, già molto ionizzato dalla presenza di galassie in fase di formazione. Utilizza una strumentazione innovativa e tale da permettere una visione veramente tridimensionale e non solo lungo la linea di vista della sorgente. Si è usato il “vecchio” telescopio di Monte Palomar, adeguatamente equipaggiato allo scopo e si è studiato il gas primigenio che collega le galassie tra di loro. Lo strumento si chiama proprio Cosmic Web Imager.

Stiamo parlando di quei filamenti che si suppone esistano tra galassia e galassia, praticamente impossibili da osservare se non attraverso il fastidio che danno alla luce di quasar ancora più lontani. La ricerca in oggetto ha puntato verso due campi. Uno attorno al quasar QSO 1549+19 e l’altro addirittura attorno a una specie di “blob” (chiamato proprio Lyman Alpha) che si nota all’interno di un ammasso galattico in formazione (SSA22).

Vicino al primo oggetto si è identificato un filamento molto stretto lungo circa un milione di anni luce, che si dirige verso la galassia che contiene il quasar. Una specie di “tubo” per il rifornimento di materiale. Il gas fluisce verso la neonata e le fa crescere. Siamo proprio durante una fase di formazione primigenia.

Ancora più sorprendente è ciò che si vede attorno al blob. Ben tre filamenti lo circondano e tutti diretti verso il centro. Stiamo probabilmente osservando la nascita di una galassia, tre volte superiore alla nostra, che già emette nella linea Lyman Alpha. Non è ancora veramente accesa, sta solo costruendosi.

Che meraviglia, però, poter assistere a questo cantiere spaziale così enorme ed estremamente dinamico e concitato. La Fig. 4 mostra un’immagine reale del blob ripresa con il Cosmic Web Imager e una simulazione al computer basata sui dati precedenti.

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Figura 4. Fonte: Christopher Martin, Robert Hurt

L’età dei due oggetti è di circa 2 miliardi di anni, un momento in cui le galassie si stavano formando a ritmo frenetico e in cui i filamenti dovevano essere molto consistenti. A questo gas diffuso tra le galassie, sistemato lungo specie di canali che si incrociano e trasportano materia primigenia, è stato dato il nome di dim matter, ossia materia semi-oscura, qualcosa di intermedio tra materia vera e propria e materia oscura. Ovviamente, la dim matter è normale materia barionica, formata da idrogeno neutro e/o parzialmente ionizzato, ma risulta invisibile solo perché emette ben poco e riesce soprattutto ad assorbire. Qualcosa di molto diverso da ciò che doveva circondare le fasi del Cosmo successive al rumore cosmico di fondo? No, assolutamente no ed ecco che ci agganciamo alla prima news.

Gli articoli originali sono scaricabili QUI e QUI.

QUI l'articolo pubblicato il 2/5/2014 e, a seguire, gli eventuali commenti

 

L'intelligenza creativa dei quasar

(17/1/2015)

Poche e semplici parole sulla scoperta del possibile meccanismo che ha guidato la formazione delle galassie più antiche. Una recente ricerca unisce sapientemente il lavoro di osservazione diretta con quello di modellistica al computer. Ne nasce una visione nuova dei buchi neri primitivi, quella di creature che mantengono logica e razionalità in situazioni caotiche e tempestose.

Facciamo un rapido quadro della situazione, dove, ancora una volta, i buchi neri supermassicci giocano un ruolo predominante. Essi appaiono, sempre più, come dei veri e propri regolatori della vita della loro città, dalla nascita, all’evoluzione, fino alla pensione. Le parti finali le abbiamo trattate a lungo (blocco delle nascite stellari, fasi di tranquillità, improvvise riaccensioni), ma quelle primordiali rimangono ancora abbastanza misteriose, a causa delle difficoltà osservative.

Sicuramente, conosciamo i quasar, buchi neri accresciutisi molto in fretta nelle fasi primigenie, probabilmente a causa della facilità di ingoiare materiale dalle zone circostanti. Un processo che indica chiaramente un meccanismo che va dall’esterno verso l’interno, un lavoro di accrescimento tempestoso e impetuoso. Un impulso di matrice chiaramente egoistica… Tuttavia, proprio in questa fase devono anche formarsi le prime galassie, in grado di creare le stelle, le più importanti creature del Cosmo.

quasar

In qualche modo, abbiamo di fronte due processi opposti: da un lato un accrescimento continuo e dall’altro il bisogno di una certa tranquillità termica che permetta la nascita stellare. Ricordiamo, infatti che le stelle hanno bisogno di gas freddo, mentre il fluire continuo di materia verso il quasar centrale comporta temperature di decine di milioni di gradi.

Innanzitutto, siamo sicuri che esistano le condizioni per la nascita stellare in questa fase dominata dai quasar? Le osservazioni millimetriche dicono di sì. Grandi ammassi di gas freddo sono stati scovati vicino a nuclei galattici attivi estremamente giovani (un decimo dell’età dell’Universo). Tutto a posto allora? Nemmeno per sogno.

Come già accennato, bisogna far convivere gas che raggiunge milioni di gradi di temperatura e gas freddo. Sono nati separatamente? Impossibile, ovviamente, dato che i quasar dominano l’intera situazione. Non ci resta che pensare che essi siano in grado di fare il “doppio gioco”: si rinforzino sempre più, riscaldando gas, e nello stesso tempo riescano a creare le situazioni ideali per le nascite stellari. Un’opera fantastica… se solo ne fossero capaci. E sembra che le cose vadano proprio così… Scusate se ribadisco il concetto, ma ci vedo una tale armonia di esecuzione che definire affascinante è troppo poco.

Semplifico in modo enorme, ma lasciatemi cogliere lo spirito più che la parte pratica. Il gas primordiale, che in qualche modo aveva già formato le prime stelle gigantesche  che si stavano trasformando in supernove, precipita violentemente verso il buco nero centrale. Lui deve mangiare, accumulare forza e riscaldare il gas più che può. Il suo motore deve essere portato al massimo. Per ingordigia? Assolutamente no!

Ne ha bisogno per espellere il gas dai suoi getti “polari”. Gas, ovviamente caldo, ma ricco di quanto le supernove hanno rilasciato. All’intorno esistono le condizioni ideali, date proprio dal fatto di essere in un Universo bambino (non si può entrare nei dettagli, ma pensate a un’aria salubre, limpida, non inquinata). Il gas caldo viaggia a velocità di un paio di migliaia di km/sec e raggiunge distanze di 100 000 anni luce (guarda caso proprio quelle di una tipica galassia di grandi dimensioni).

Cosa succede nelle notti serene d’inverno? La temperatura diminuisce in modo drastico, niente frena la dispersione del calore e nessuna nube blocca la radiazione termica che lascia il nostro pianeta. Ebbene, succede qualcosa anche nel gas espulso dal buco nero. Oltretutto, la presenza di elementi pesanti facilita questo “raffreddamento globale”. Anzi, sembra che ne sia una componente indispensabile.

Un gioco di coppia fantastico. Il buco nero, con l’aiuto delle prime stelle esplose, lancia il gas lontano dove si raffredda e inizia la creazione della grande città cosmica, che sarà comunque dominata dalla sua mente centrale, capace, in seguito, di regolarne l’evoluzione e dirigerla verso la pensione.

Forse vi sembra che non abbia detto niente di veramente nuovo. E, invece, il vero problema era proprio far convivere gas freddo e motore centrale che agiva come una stufa efficientissima. La stufa non è, però, uno strumento “stupido” e ripetitivo, ma sa che deve riscaldare per lanciare lontano e godersi poi il raffreddamento. Stupendo, ragazzi, veramente stupendo!

Non tutto è ancora chiaro in questi processi. Al momento le osservazioni certificano la presenza dei quasar e degli ammassi di gas freddo a distanze “galattiche”. I modelli al computer dimostrano che le due cose possono essere legate assieme. Insomma, si è compreso il come, ma ci sono ancora parecchi “perché”. Poco male, le risposte arriveranno presto. Per adesso godiamoci un motore fantastico, il cui egoismo può apparire tale solo a chi non comprende o non vuole comprendere. Questo è l’Universo! E noi ne facciamo parte… quando ne saremo veramente orgogliosi?

Scusate il modo troppo semplicistico del racconto. Ma… mi sento molto vicino a questi buchi neri che riuscivano a essere logici in fasi così turbolente e apparentemente prive di logica. Li vedo come maestri di vita! Sembra quasi di toccarli, di ammirarli e di poterli incitare.

Sono lì, davanti a noi e non hanno bisogno di media che li glorifichino. Cosa sono tredici miliardi di anni?! Un niente, un attimo, un sospiro. Il pensiero e la fantasia superano di gran lunga e senza problemi anche la velocità della luce.

QUI l'articolo pubblicato il 17/1/2015 e, a seguire, gli eventuali commenti

 

Anche i blazar usano il playback

(9/1/2014)

Molte riprese televisive di manifestazioni sportive usano normalmente l’effetto playback, che è diventato veramente essenziale, soprattutto quando il gesto atletico è improvviso e inaspettato. Poterlo rivedere fa capire molte cose in più, anche perché lo spettatore può dedicargli tutta l’attenzione richiesta. I blazar non sono da meno e ci offrono la stessa possibilità. Non ci resta che ringraziarli per questa gentilezza, ancora una volta basata sulle intuizioni di Einstein.

I blazar non sono altro che nuclei di galassie attive (AGN), la cui configurazione geometrica fa sì che i getti, che escono a velocità simili a quella della luce in prossimità dei loro buchi neri centrali, siano diretti esattamente verso di noi. Una specie di lampadina che si accende ogni volta che nuovo materiale si avvicina troppo al mostro galattico (il fatto che la differenza tra quasar e blazar risieda solo nella direzione del getto rispetto alla Terra è stato confermato da uno studio recente, di cui parliamo nell'articolo che segue).

blazar
Rappresentazione grafica di un blazar. Nel cuore di una galassia attiva, la materia cade verso il super buco nero centrale e crea getti di particelle che viaggiano a velocità prossime a quella della luce. Le galassie attive sono classificate come blazar quando uno dei due getti è diretto quasi esattamente verso la Terra. Fonte: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab.

Normalmente sono rivelabili in molte lunghezze d’onda, ma vista la loro energia formidabile sarebbero particolarmente interessanti da studiare nei raggi gamma. L’ideale sarebbe, però, riuscire ad amplificare la loro intensità. Fortunatamente, esiste un telescopio virtuale descritto da Einstein, composto da una qualche galassia o, più in generale, da una enorme massa situata proprio davanti al blazar, in grado di amplificare la sorgente attraverso il ben noto effetto lente.

Non si può pretendere che l’immagine finale si ricomponga perfettamente. Essa, di solito, si distende lungo un cerchio luminoso attorno alla lente gravitazionale, o forma una specie di croce o, ancora, dà luogo a due immagini distinte. Tutto dipende da vari fattori, quale ad esempio il non perfetto allineamento blazar - galassia lente - osservatore. Ormai, però, gli scienziati sanno come ricostruire l’immagine finale e l’informazione che ne deriva è fondamentale per riuscire a vedere oggetti lontanissimi e normalmente invisibili. Inoltre, lo studio della deviazione della luce, subita per effetto gravitazionale, dona moltissime informazioni anche sulla galassia che fa da lente. Insomma, un telescopio fantastico che ha bisogno di occhi giusti e attenti per potere studiare e analizzare l’immagine finale non proprio immediata.

Già si conosceva un bel blazar che subiva un effetto lente nel radio. Tuttavia, il telescopio spaziale Fermi avrebbe avuto piacere di vedere la stessa cosa anche nei raggi gamma. Purtroppo, in quella lunghezza d’onda non è possibile separare un’immagine doppia se essa è troppo vicina. E’ un peccato, perché, se la lente separa l’immagine finale di pochissimo, vuole anche dire studiare sorgenti molto puntiformi e zone molto ristrette della galassia-lente. Ed eccoci all’uso del “playback” cosmico.

I lampi provenienti da un blazar sono imprevedibili e non sono sempre perfettamente allineati: a volte sono più luminosi a volte meno, dato che i getti del buco nero possono cambiare direzione anche se di poco. Bisogna stare molto attenti e cercare di cogliere l’attimo fuggente. Proprio come succede durante un gesto atletico rapidissimo e inaspettato. Si vede, spesso, troppo tardi o quando sta già finendo.

Vi faccio un esempio che riguarda non l’uomo ma un animale molto più grande: la balena. Il momento più spettacolare nella vita “pubblica” di una balena è quando esegue il salto fuori dall’acqua. Essa lo fa con una grazia e un’eleganza fantastica. Si gira in volo e si distende come una ballerina di danza classica, prima di ripiombare in acqua con uno spruzzo enorme. Cetacei di 15-20 metri di lunghezza, che si comportano come eteree farfalle, danno luogo a momenti fantastici, da non perdere!

un "blazar" marino
Un fantastico e imprevedibile "blazar" marino

Il problema, però, è che questi salti sono del tutto imprevedibili, dato che non vi sono segni che anticipino il momento fatidico. L’ideale sarebbe potere avere a disposizione un playback. Purtroppo, le balene sono come Paganini e non ripetono. O, quando lo fanno, non comunicano il momento esatto del “replay”.

Per i blazar succede, più o meno, la stessa cosa. Per potere vedere un lampo bisogna coglierlo al momento giusto. Se non si azzecca il momento giusto non vi è playback che tenga. Ne siamo proprio sicuri? Assolutamente no e Fermi ci ha dimostrato che il fantastico telescopio descritto da Einstein è in grado di farci rivedere un evento che magari avevamo visto solo di sfuggita, senza poterlo studiare a fondo.

Com’è possibile ottenere tutto ciò? Banale, come tutto ciò che deriva dalle grandi scoperte della Scienza. L’effetto lente crea, in casi particolari come quello del blazar in questione, uno sdoppiamento dell’immagine, che Fermi non riesce a separare, dato che la distanza tra loro è di solo 0.0001 gradi. Tuttavia, il blazar non è esattamente dietro alla galassia lente, ma è leggermente spostato e la luce che proviene da lui è costretta a seguire percorsi di diversa lunghezza e/o attraversare zone di diversa densità della galassia lente. Ciò che capita, in ogni modo, è che una delle due immagini si forma in ritardo rispetto all’altra. Meraviglioso: un vero e proprio playback!

Sotto queste condizioni importa poco la bassa risoluzione  di Fermi, dato che le due immagini arrivano allo strumento in  tempi diversi, lasciando tutto il tempo per prepararsi ad ammirare il playback. Per il nostro blazar la differenza di tempo è di 11.46 giorni.

Mi permetto di esprimere una mia personale emozione a riguardo. Il vedere due immagini, la cui luce è partita poco meno di cinque miliardi di anni fa, giungere a noi con un ritardo di solo pochi giorni è qualcosa che mi fa venire i brividi. Altro che la puntualità dei nostri treni!

In realtà, lo stesso fenomeno è anche individuabile nelle onde radio, ma con risultati diversi. Il ritardo dei raggi gamma è maggiore di un giorno e inoltre le due immagini hanno la stessa luminosità. Nel radio, invece, una delle due è quattro volte più luminosa dell’altra. Non solo però. I lampi gamma risultano cento volte più luminosi della situazione normale, mentre nel radio l’aumento di luminosità è solo del dieci per cento.

Cosa ci dice questa differenza di comportamento? Molto probabilmente dimostra che la zona di origine del lampo gamma è molto più concentrata di quella del radio. Insomma, la luce  nelle due lunghezze d’onda proviene da aree di emissione diverse e di diversa estensione, attorno al buco nero. Inoltre, la capacità di amplificare la luce da parte della galassia lente (o della sua parte interessata) è più significativa nei raggi gamma. Insomma, ciò che capita per le varie lunghezze d’onda permette non solo di studiare la sorgente, ma anche la lente gravitazionale, dato che si arriva a definire piuttosto bene gli effetti locali di microlensing. Due piccioni con una fava.

E’ la prima volta che si determina un effetto lente nei raggi gamma. La loro notevole amplificazione apre una nuova fase di studio di sorgenti lontane ed estremamente energetiche. Sarà possibile cercare nuovi “telescopi” gravitazionali solo nel gamma, sapendo che il ritardo permetterà di analizzare molto bene un’immagine ben più intensa che nelle altre lunghezze d’onda. Inoltre, poter studiare così bene percorsi diversi della luce può dare importanti input sull’espansione dell’Universo e sulla sfera di Hubble (non chiedetemi perché dato che la faccenda è molto complicata, ma anche abbastanza intuitiva pensando che si misurano differenze di distanza e di tempo, nel viaggio della luce)

Peccato, solo, che non esista anche il “rallenty”… ma… chissà! In fondo l’Universo è spazio-tempo e le due grandezze si abbracciano strettamente…

Tutta la faccenda viene spiegata benissimo in questo filmato della NASA

 

Da non confondere con l'effetto lente, l'Universo a volte ci concede il playback grazie ad un altro fenomeno: l'effetto eco.

QUI l'articolo pubblicato il 9/1/2014 e, a seguire, gli eventuali commenti

 

Nuclei galattici attivi: un modello unificato

(30/5/2018)

Quando lavoravo all’Osservatorio di Torino, vi erano colleghi che studiavano gli AGN (Nuclei Galattici Attivi). Chiacchierando con loro avevo imparato che le differenze tra certi tipi di galassie attive e fenomeni come i blazar erano praticamente dovute solo all’angolo di vista. Oggi, leggo che finalmente questa scoperta è stata riscoperta o qualcosa del genere.

Tutto si rifà al celebre getto dei buchi neri e al disco di accrescimento che si crea attorno al motore centrale che sta cibandosi. Un recente articolo parla proprio di un modello che unifica osservazioni apparentemente diverse. La differenza sta quasi soltanto nel come viene vista la galassia. Insomma, una conferma di quanto già si sapeva o poco più…

Comunque, vale la pena riparlarne, visto l’interesse di uno tra i fenomeni più energetici dell’Universo e l’ottima figura riassuntiva riportata nel nuovo articolo. Il modello si basa sullo smembramento di una stella per effetti mareali e della sua digestione. Ogni tanto una stella si avvicina troppo al buco nero e le forze mareali la distruggono totalmente riducendola ad un disco di materia che ruota attorno all’orizzonte degli eventi e cade verso di lui spiraleggiando. Nel far questo si riscalda sempre più ed emette radiazioni che raggiungono il loro apice nel getto perpendicolare al disco, osservabile soprattutto nei raggi X. La figura che segue mostra molto bene la situazione…

Illustration of emissions from a tidal disruption event shows in cross section what happens when the material from a disrupted star is devoured by a black hole. The material forms an accretion disk, which heats up and emits vast amounts of light and radiation. The emissions we are able to see from Earth depend on our viewing angle with respect to the orientation of the black hole. Credit: Illustration by Jane Lixin Dai
L'illustrazione delle emissioni di un evento di interruzione delle maree mostra in sezione ciò che accade quando il materiale di una stella distrutta viene divorato da un buco nero. Il materiale forma un disco di accrescimento, che si riscalda ed emette grandi quantità di luce e radiazioni. Le emissioni che siamo in grado di vedere dalla Terra dipendono dal nostro angolo di vista rispetto all'orientamento del buco nero. Credit: Illustration by Jane Lixin Dai

Come didascalia, riporto quella originale delle agenzie stampa, dove è facile notare una ripetizione di ciò che si già si sapeva molto bene.

Vi è un disco più o meno spesso e opaco “equatoriale”. Poi, iniziano le radiazioni a varie lunghezze d’onda fino ad arrivare ai raggi X nel getto relativistico. Immaginiamo, adesso, di muoverci (a dovuta distanza) dall’equatore verso l’asse del getto. All’inizio vedremmo radiazioni in gran parte oscurate dal disco. Poi avrebbero il predominio le radiazioni di diversa energia e, infine, se fossimo proprio nella direzione del getto, un esplosione violentissima di raggi X. Fenomeni diversi, che, però, sono sempre lo stesso oggetto visto da angolazioni diverse (più o meno ciò che accade con le nebulose planetarie...). L’ultimo caso, il più evidente, è quello che viene chiamato blazar.

Una conferma, ottenuta con l’aiuto sempre più grande del computer e con qualche osservazione in più. Il concetto di base, però, è sempre lo stesso.

Articolo originale QUI

QUI l'articolo pubblicato il 30/5/2018 e, a seguire, gli eventuali commenti

QUI il racconto di un fotone partito da un quasi-blazar sette miliardi e mezzo di anni fa

 

NEWS del 26/2/2015 - Scoperto un quasar da record! Dodici miliardi di masse solari, brilla come 420 trilioni di stelle come il Sole e si trova ad appena 900 milioni di anni dal Big Bang, quando non si era ancora diradata la nebbia della fase oscura.

NEWS del 13/9/2016 - Raddoppiato (da circa 60 a 120) il numero dei più antichi quasar conosciuti (quando l'Universo aveva meno di un miliardo di anni)

NEWS del 24/3/2017 - Grazie agli effetti subiti dalla luce di antichi quasar, ALMA scopre immense nubi di idrogeno neutro che circondano galassie primordiali

NEWS del 10/4/2019 - Ottenuta la prima prova visiva diretta di un buco nero!

2 commenti

  1. Frank

    Giorno Enzo, sono un "poco" confuso riguardo:

    In mezzo alla nebbia

    "Molto meglio poter individuare un’esplosione stellare, localizzata e simultanea."

    Forse volevi dire contemporanea? Oppure in questo caso importa solo il nostro sistema di riferimento?

  2. volevo intendere di brevissima durata e ben localizzata, tanto da non avere tempo di "sporcare" i suoi dintorni...

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