Buchi neri di miliardi di masse solari

Grasso è bello. Più una galassia è lontana, più la sua luce impiega del tempo per arrivare fino a noi. Quindi, più miglioriamo i nostri telescopi e più riceviamo informazioni dell’Universo quando era giovane. Adesso possiamo fare delle fotografie di galassie la cui luce è partita quando l’Universo aveva solo un miliardo di anni di età. Un miliardo di anni sembra un tempo lunghissimo, eppure per certi processi è veramente poco. Per esempio, ci vuole un bel po’ di tempo per formare un buco nero di taglia XXL, di quelli che risiedono al centro di quasi tutte le galassie. Scoprire dei buchi neri dalla massa esagerata, di 10 miliardi di masse solari in galassie lontane, pone quindi un bel problema. Eppure è quello che oggi succede. La rivista Nature (Wu et al. 2015; http://xxx.lanl.gov/abs/1502.07418) ha pubblicato la scoperta di un buco nero di 12 miliardi di masse solari, già così obeso quando l’Universo aveva appena 860 milioni di anni. E per coincidenza, proprio negli stessi giorni, con Gianpiero Tagliaferri dell’INAF – Osservatorio di Brera), Tullia Sbarrato dell’Università di Milano Bicocca e Neil Gehrels del Goddard Institute della NASA abbiamo annunciato la scoperta di un buco nero di 11 miliardi di masse solari (http://xxx.lanl.gov/abs/1501.07269), già formato quando l’Universo aveva 1,1 miliardi di anni. In tutti e due i casi si tratta di quasars, il cui motore centrale riesce a produrre una luminosità anche 1000 volte più grande di quella di tutte le stelle della galassia ospite messe insieme. Il motore di queste colossali centrali energetiche è la materia che cade nel buco nero stesso, materia che mentre cade libera energia gravitazionale e la trasforma in luce. Ma nel secondo caso invece che cadere nel buco nero, una piccola frazione di materia non solo riesce a sfuggire ad un destino che sembrava già scritto, ma addirittura viene accelerata a velocità vicine a quella della luce e va a formare due getti che portano quella stessa materia a milioni di anni luce di distanza. Si pensa che questo possa avvenire quando il buco nero ruota su stesso velocemente, e che questo “turbine” aiuti a formare i due getti. Non solo, ma se il buco nero ruota, può produrre la stessa luminosità con meno materia che gli cade sopra. È per questo il sistema con i due getti diventa più interessante: perché più difficile da spiegare. Il suo buco nero “mangia” meno massa di quello senza getti, ma allora come ha fatto a diventare altrettanto obeso?
di Gabriele Ghisellini (INAF)

Annunci

Tempesta di fulmini dal cuore del buco nero

E’ una vera e propria  fucina di energia il nucleo della galassia attiva IC 310, che ha prodotto un eccezionale flusso di radiazione di altissima energia (raggi gamma) . Là si annida un buco nero supermassiccio di oltre 300 milioni di masse solari. Grazie ai due grandi telescopi per raggi gamma MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov), che operano sull’isola di La Palma alle Canarie, e cui collaborano per l’Italia l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), sono state realizzate accurate misure che hanno permesso agli scienziati di registrare rapide variazioni del flusso di energia proveniente da quella sorgente cosmica: le più rapide mai registrate finora in una sorgente di questo tipo e a queste energie. Informazione con la quale sono stati identificati i processi fisici che hanno liberato questa enorme quantità di energia svelando, per la prima volta, che questa viene rilasciata da una regione molto vicina al buco nero. L’osservazione ha quindi fornito la possibilità di indagare la struttura e il meccanismo di funzionamento di un buco nero al centro della galassia, e suggerisce appunto che l’emissione gamma sia dovuta a particelle accelerate in una regione estremamente vicina al buco nero. È la prima visione diretta sul processo di formazione dei getti nelle sorgenti cosmiche e i risultati di questo studio vengono pubblicati oggi sulla rivista scientifica internazionale Science Express. «I raggi gamma di alta energia sono molto importanti perché permettono di esplorare le zone più interne dei nuclei galattici attivi. Con queste osservazioni si può arrivare in prossimità del buco nero centrale, dove si verificano le condizioni fisiche più estreme» dice Angelo Antonelli, responsabile INAF presso la Collaborazione MAGIC. «Da quando è entrato in funzione, ormai 10 anni fa, MAGIC ha potuto ottenere questo e altri risultati altrettanto importanti grazie alle sue ottime prestazioni. Questo grazie all’utilizzo di tecnologie di punta che vengono tenute costantemente aggiornate dal lavoro dei ricercatori e dei tecnici degli Istituti di ricerca coinvolti nell’esperimento» aggiunge Barbara De Lotto, dell’Università di Udine e responsabile INFN presso la collaborazione MAGIC. IC 310 è una galassia attiva che appartiene all’Ammasso di Galassie del Perseo, distante circa 260 milioni di anni luce dalla Terra, in direzione della omonima Costellazione. Una vecchia conoscenza degli astronomi, già nota per emettere radiazione di alta energia: nel 2009 il satellite per astronomia nei raggi gamma Fermi e i telescopi MAGIC hanno scoperto un’intensa emissione di raggi gamma provenire da questo oggetto celeste. In base a tali osservazioni, IC 310 è stata considerata una sorgente di grande interesse ed è stata studiata attentamente in tutte le lunghezze d’onda. Nella notte del 12 novembre 2012, nel corso di un’ulteriore campagna di osservazione, i telescopi MAGIC hanno captato una nuova potente emissione di raggi gamma da IC 310, ben più intensa delle precedenti. Sorprendentemente, durante l’evento, il team di MAGIC ha registrato una marcata variazione nel flusso di radiazione proveniente dalla sorgente, avvenuta nell’arco di soli 5 minuti. Le osservazioni ad alta risoluzione condotte con i radiotelescopi Europei della rete VLBI (VBN) hanno permesso di caratterizzare meglio il cuore di questa galassia, rivelando che quello di IC 310 è un tipo particolare di nucleo galattico attivo (AGN) che gli astronomi chiamano blazar. Questo mostro cosmico emette una coppia di getti di plasma lanciato a velocità relativistiche, di cui uno è puntato verso l’osservatore, alla stregua del fascio di luce di un faro. Nel caso di IC 310, il getto non punta direttamente verso la Terra ma forma un angolo con la congiungente Terra-sorgente inferiore ai 20 gradi. Nei nuclei attivi e in particolare nei blazar, la presenza del getto relativistico generalmente aiuta a spiegare sia la maggiore intensità della radiazione osservata che la sua rapida variabilità. Tuttavia le osservazioni di MAGIC mostrano che questa spiegazione, nel caso di IC 310, non funziona. Per produrre un’emissione così intensa come quella osservata sarebbe necessaria un’area molto più grande di quella occupata dal buco nero supermassiccio al centro di IC 310, che ha un diametro pari a circa tre volte la distanza tra il Sole e la Terra. La luce, per attraversare una regione di tali dimensioni, impiegherebbe circa 25 minuti: questo è incompatibile con la durata delle variazioni di flusso osservate, che invece sono di soli 5 minuti. Per descrivere questa emissione così intensa e rapida gli scienziati propongono una spiegazione diversa. La massiccia emissione di raggi gamma osservata deve necessariamente iniziare nelle immediate vicinanze del buco nero. Il buco nero deve ruotare alla sua massima velocità possibile e deve essere presente un campo magnetico che lo circonda.  Se la densità del plasma che precipita verso il buco nero diminuisce nelle regioni polari, si possono creare proprio in queste zone degli intensi campi elettrici in grado di accelerare le particelle a velocità prossime a quelle della luce. Una situazione analoga, anche se molto più estrema, a quando si verificano le scariche elettriche dei fulmini durante le tempeste. Le particelle così accelerate, interagendo con i fotoni a bassa energia emessi dal disco di accrescimento, producono i raggi gamma captati da MAGIC, che rappresentano la prima osservazione diretta della regione in cui avviene la formazione dei getti nei nuclei galattici attivi, contribuendo a chiarire quello che, a tutt’oggi, è uno dei grandi enigmi dell’astrofisica moderna.
di Marco Galliani (INAF)

Per saperne di più:

  • Il comunicato stampa congiunto INAF-INFN
  • Il press kit con interviste a Lucio Angelo Antonelli e Barbara De Lotto, video e immagini

 

Il Blazar Markarian 421

Markarian 421 (Mrk 421, Mkn 421) è un blazar situato nella costellazione dell’Orsa Maggiore. È classificabile come galassia attiva,oggetto BL Lacertae e forte sorgente di raggi gamma. La distanza dalla Terra è compresa tra 397 milioni di anni luce (redshift: z=0,0308 equivalenti a 122 M pc) e 434 milioni di anni luce (133 Mpc) il che lo rende uno dei blazar più vicini alla Terra e questo fa sì che esso sia anche uno dei quasar più luminosi del cielo notturno. Data la sua notevole attività si ritiene che ospiti un buco nero supermassiccio al suo centro; ha una galassia compagna (Markarian 421-5) che rifornisce di materiale i getti di gas che si originano dall’oggetto. Nel 1992, M. Punch del Whipple Observatory, rilevò per la prima volta che l’oggetto emetteva raggi gamma ad altissima energia, mentre nel 1996 J. Gaidos sempre del Whipple Observatory registrò un rapidissimo picco di emissione (della durata di 15 minuti) di questi raggi gamma altamente energetici. Makarian 421 che è monitorato dal progetto Whole Earth Blazar Telescope ha mostrato un altro picco di emissione nel 2001. Data la sua luminosità (magnitudine media 13,3 con minimo a 16 e massimo di 11,6), l’oggetto rientra nel campo di osservabilità dei telescopi amatoriali.

Blazar periodico: emissioni ogni 315 giorni

Un blazar ad emissione periodica, sia nelle bande ottiche che in quelle dei raggi X duri. È quanto scoperto da un gruppo di ricerca italiano, guidato da Angela Sandrinelli dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Brera, con osservazioni realizzate con il telescopio INAF REM, situato nell’osservatorio ESO di La Silla, in Cile. Lo studio della variabilità degli oggetti celesti accompagna la ricerca astrofisica sin da praticamente gli albori. E sono innumerevoli le grandi e piccole scoperte che sono state rese possibili dalla comprensione dei meccanismi che portano stelle ed altri oggetti del cielo a variare l’intensità delle loro emissioni luminose. E questo è ancora vero oggigiorno, quando accanto alle osservazioni con i telescopi ottici si affiancano quelle nelle altre bande dello spettro elettromagnetico. Una classe di sorgenti astrofisiche per le quali la variabilità è la norma sono gli oggetti “BL Lacerte”, una sottoclasse dei cosiddetti blazar. I blazar sono parte di una categoria di sorgenti astrofisiche note come nuclei galattici attivi. Un gruppo di ricerca di astrofisica italiano ha recentemente confermato una scoperta intrigante riguardo ad uno dei più noti e studiati oggetti di questa classe: l’oggetto denominato PKS2155-304. Tramite osservazioni ottenute con il telescopio INAF REM, situato nell’osservatorio ESO di La Silla, in Cile, ed osservazioni ad alta energia ottenute con il satellite NASA Fermi, si è determinata l’esistenza di una periodicità di circa 315 giorni nella sua emissione sia nelle bande ottiche che in quelle dei raggi X duri accessibile solo dallo spazio. Come sottolinea Angela Sandrinelli, dell’Università dell’Insubria e dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Brera, e primo autore del lavoro: «gli astrofisici ritengono che i blazar siano caratterizzati da potenti getti emessi dalle zone nucleari di queste galassie, dove risiede un buco nero di centinaia di milioni di masse solari, e che sono diretti casualmente in direzione della Terra». «Variazioni nelle proprietà fisiche del getto generano rapide variazioni nelle caratteristiche della loro emissione luminosa», aggiunge Aldo Treves, dell’Università Insubria, e «questo ci perette di stimare importanti parametri fisici per questi imponenti fenomeni cosmici». Il telescopio REM, uno strumento completamente robotico sviluppato da scienziati INAF con lo scopo primario di osservare lampi di luce gamma, i ben noti GRB. Nel tempo osservativo non occupato dai GRB si occupa da quasi una decina d’anni di osservare periodicamente queste intense sorgenti di radiazione. «È stata un’autentica sorpresa e motivo d’orgoglio per la comunità astrofisica italiana», conclude Stefano Covino dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Brera, «vedere come un piccolo anche se tecnologicamente avanzato telescopio come REM sia in grado, con la sua grande efficienza osservativa, di fornire dati preziosi in vari settori della moderna ricerca astrofisica in collaborazione anche con strumenti spaziali come il satellite per alte energie Fermi».
Redazione Media Inaf

Pubblicato il catalogo delle sorgenti di raggi gamma

 Cinquecentoquattordici sorgenti, e per ognuna un identikit con posizione, spettro, variabilità, dove possibile il riferimento a una sorgente già studiata in altre lunghezze d’onda. E’ il contenuto del catalogo di sorgenti gamma a energie superiori a 10 GeV appena pubblicato dalla collaborazione internazionale che analizza i dati raccolti dal Large Area Telescope (LAT) a bordo della missione Nasa Fermi. Ogni sorgente è un oggetto che emette raggi gamma, la radiazione elettromagnetica più energetica che attraversa l’Universo. I dati su cui si basa il catalogo sono stati accumulati nei primi tre anni della missione Fermi, che è stata lanciata nel giugno del 2008. Il catalogo mostra che di quelle 514 sorgenti, 449 possono essere associate a sorgenti conosciute, 393 delle quali sono nuclei galattici attivi o blazar: questi ultimi oggetti dominano quindi il cielo in queste lunghezze d’onda. Le pulsacatalogo sono invece 27. Quanto alle sorgenti non ancora identificate, sono distribuite in modo uniforme lungo il piano galattico e i ricercatori ritengono che per la maggior parte si tratti di blazar Come spiega Patrizia Caraveo dell’INAF-Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Milano, responsabile per l’Italia di Fermi-LAT, “Il catalogo delle 514 sorgenti rivelate dal Large area T lescope ad energie al di sopra di 10 GeV vuole essere un ‘ponte’ tra il secondo catalogo delle sorgenti Fermi (che contiene circa 1800 sorgenti, viste a partire da 100 MeV) e il catalogo delle sorgenti rivelate dall’attuale generazione di telescopi Cherenkov (che conta circa 150 sorgenti viste a energie maggiori di 100 GeV). Dal momento che il Cherenkov Telescope Array, al quale INAF conta di dare un importante contributo, vuole cercare di abbassare la soglia di operatività dei telescopi Cherenkov a qualche decina di GeV, il catalogo delle sorgenti Fermi di alta energia sarà molto utile per segnalare le sorgenti potenzialmente interessanti per la il programma di osservazione CTA”.
di Nicola Nosengo INAF
Per saperne di più:

Tutta la luce dell’universo

A quanto ammonta la bolletta della luce dell’intero universo dal Big Bang a oggi? Domanda nient’affatto peregrina: una stima accurata del numero e dell’energia di tutti i fotoni in circolazione per il cosmo, dalle origini ai giorni nostri, permetterebbe di rispondere a numerosi quesiti circa la natura e l’evoluzione dell’universo. Si tratta d’un bagno di fotoni che va sotto il nome di radiazione extragalattica di fondo (EBL, extragalactic background light). Peccato che non esista un contatore sul quale andare a leggere di che cifre stiamo parlando, anzi: trovandoci immersi nell’emissione luminosa della galassia che ci ospita – per non dire della luce solare – una misura diretta dell’EBL è un’impresa praticamente impossibile. Si può però tentare una lettura indiretta. È quanto è riuscito a fare un team di sette astrofisici, guidato da Alberto Domínguez della University of California – Riverside, ricorrendo a un metodo quanto mai ingegnoso e a una squadra di telescopi che solo a elencarli lascia senza respiro: da Fermi a XMM-Newton, passando per Chandra, Swift e il Rossi X-ray Timing Explorer, per citare solo quelli spaziali. Giungendo così a pubblicare, in un articolo appena uscito su The Astrophysical Journal, la misura a oggi più attendibile del totale dell’EBL emessa nel corso degli ultimi cinque miliardi di anni.
Come hanno fatto? Hanno sfruttato una proprietà controintuitiva della luce di fondo, ovvero il suo “potere oscurante”. O meglio, l’attenuazione esercitata dai fotoni EBL sui fotoni ad altissima energia provenienti dai blazar. Quando un raggio gamma, dunque un fotone ad alta energia, entra in collisione con uno dei fotoni a energia più bassa del fondo extragalattico, i due si annichiliscono, dando origine a una coppia formata da un elettrone e un positrone. Non solo: fotoni gamma di diverso livello energetico vengono intercettati, per così dire, da fotoni EBL a loro volta con livelli energetici differenti. Aprendo così le porte alla possibilità di calcolare un vero e proprio spettro d’attenuazione in funzione della distanza – e dunque dell’antichità – dei blazar all’origine dell’emissione gamma.
Incrociando i dati multibanda, dai raggi gamma ai raggi X, raccolti dai satelliti prima elencati, gli autori dello studio hanno anzitutto ricostruito quella che doveva essere l’emissione originale – non attenuata, dunque – a differenti energie. Poi l’hanno confrontata con le misure dirette del flusso gamma, proveniente da quegli stessi blazar, rilevato a terra da tre telescopi in grado di rilevare l’efffetto Čerenkov: HESS (High Energy Stereoscopic System) in Namibia, MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Čerenkov) alle Canarie e VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array Systems) in Arizona. Dalla discrepanza fra i valori ottenuti sono infine riusciti a risalire a una stima dell’attenuazione dovuta alla radiazione di fondo extragalattica e a quantificare l’evoluzione dell’EBL nel corso degli ultimi cinque miliardi di anni. «Cinque miliardi di anni luce è il limite massimo al quale riusciamo a spingerci con le tecnologie attuali», sottolinea Domínguez. «Esistono anche blazar più distanti, certo, ma i raggi gamma ad alta energia che emettono risultano troppo attenuati dall’EBL perché i nostri strumenti riescano rilevarli».
di Marco Malaspina (INAF)

Un blazar tutto da studiare

I blazar sono fra le sorgenti di raggi gamma ad alta energia più luminose, questo lo si sapeva. Ma quello individuato dal telescopio spaziale Fermi supera ogni aspettativa. Al punto da mettere in crisi gli attuali modelli sulla luce di fondo extragalattica (EBL, extragalactic background light): quella radiazione diffusa che riempie l’universo, debole ma pervasiva, proveniente da stelle e galassie. Il nome in codice del protagonista è PKS 1424+240: un blazar (dunque, una galassia che ospita un buco nero supermassiccio estremamente attivo) il cui profilo, tracciato dallo spettrografo Cosmic Origins a bordo di Hubble e dallo strumento terrestre VERITAS, dice che si trova a 7,4 miliardi di anni luce da noi e mostra uno spettro alquanto inusuale. «È una sorgente straordinariamente luminosa, ma non mostra le caratteristiche di emissione tipiche dei blazar più energetici», dice Amy Furniss, studentessa del Santa Cruz Institute for Particle Physics, prima autrice della ricerca in corso di pubblicazione su Astrophysical Journal Letters. Ciò che non torna è come sia possibile che i raggi gamma provenienti da una sorgente ad alta energia così distante possano aver dribblato pressoché indenni la radiazione di fondo extragalattica, che in questo caso dovrebbe assorbirli. Quando un raggio gamma, dunque un fotone ad alta energia, entra in collisione con uno dei fotoni a energia più bassa del fondo extragalattico, i due si annichiliscono, dando origine a una coppia formata da un elettrone e un positrone: un tipico processo di creazione della materia. Più è lungo il tragitto del raggio gamma, dunque, è più diventano alte le possibilità che, incontrando un altro fotone, venga assorbito in questo processo. Questo pone un limite alla distanza massima alla quale una sorgente di raggi gamma altamente energetici può essere osservata. Ebbene, è proprio questo limite che il nuovo blazar sta mettendo a dura prova. «Poter disporre d’una sorgente così distante ci permetterà di valutare meglio a quanto ammonta l’assorbimento da parte del fondo, e di mettere alla prova i modelli cosmologici sulla luce di fondo extragalattica», spiega uno dei coautori dell’articolo, David Williams, di UC Santa Cruz. Certo, la soluzione dell’enigma potrebbe stare nell’ammontare della luce di fondo extragalattica, molto difficile da quantificare a causa delle tante sorgenti luminose presenti nella nostra galassia. Ma anche adottando i valori di EBL più bassi disponibili in base ai modelli attuali, lo spettro di PKS 1424+240 continua a non adattarsi a quelli previsti per i blazar. «Può essere che accada qualcosa, nel meccanismo d’emissione dei blazar, che proprio non comprendiamo», ammette Williams. «Certo, spiegazioni più esotiche non mancano, ma questa è una fase forse ancora prematura per azzardare speculazioni».
di Marco Malaspina (INAF)

Voci precedenti più vecchie