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Il trucco della sparizione dei quasar

È il più grande “trucco di sparizione” dell’universo. I quasar – fari luminosi alimentati da famelici buchi neri supermassicci nei nuclei di galassie distanti – sono stati osservati mentre scompaiono, svanendo a volte in meno di un anno.

Successivamente, dal ridotto bagliore emergono quelle che appaiono come monotone galassie standard. Anche se gli astronomi sanno da tempo che qualsiasi quasar alla fine raggiungerà la quiescenza quando il suo buco nero centrale esaurirà la sua materia prima di gas e polvere, quegli oggetti hanno dimensioni così grandi che il processo dovrebbe richiedere decine di migliaia di anni. Quindi, come è potuto avvenire in meno di un anno?

Forse, ha suggerito qualcuno, le nuvole di polveri che passavano davanti ai quasar ne bloccavano temporaneamente la vista. Forse, sostengono alcuni teorici, quelle stranezze erano qualcosa di completamente diverso. Un buco nero supermassiccio che divorava una stella avrebbe potuto produrre un breve lampo altrettanto brillante. Oppure una stella in transito avrebbe potuto fare da lente d’ingrandimento celeste, creando un’amplificazione della luce simile a un lampo.

Ma queste idee sono state in gran parte scartate. Invece, secondo gli astronomi le prove mostrano che sono i quasar stessi a trasformarsi. Più precisamente, il vero responsabile è qualche cambiamento nel loro disco di accrescimento, quel vortice di materia calda che circonda il buco nero e lo alimenta.

Ora un nuovo studio, recentemente accettato per la pubblicazione sui “Proceedings of the National Academy of Sciences”, getta altra benzina sul fuoco. L’astronomo del California Institute of Technology Matthew Graham e i suoi colleghi hanno quasi triplicato il numero di quasar noti che cambiano aspetto, e tutti mostrano chiaramente drastici cambiamenti nel disco di accrescimento. Si tratta del più ampio catalogo di quei quasar mai compilato e consente agli astronomi di avere finalmente maggiori dettagli su questi misteriosi cambiamenti, dettagli che, a loro volta, potrebbero aiutare a spiegare meglio i meccanismi con cui si alimentano i buchi neri e il modo in cui le galassie come la Via Lattea evolvono su scale temporali cosmiche.

Quasar
L’illustrazione raffigura l’alone di gas intorno a un quasar nell’universo primordiale (ESO/M. Kornmesser)

Dalla scoperta, avvenuta nel 2014, del primo quasar noto che cambia aspetto, gli astronomi sono andati alla ricerca di molte di queste stranezze, alcune delle quali sembrano illuminarsi rapidamente quando una galassia si accende di colpo fino a diventare un brillante quasar.

Anche in questi casi, la tempistica sembrava impossibile. Così gli astronomi hanno monitorato questi oggetti in tutte le lunghezze d’onda disponibili. Di recente, questo approccio ha coinvolto sia la luce visibile sia lo spettro infrarosso, due lunghezze d’onda che consentono ai ricercatori di studiare diversi aspetti del sistema fisico.

In un quasar, la luce visibile proviene principalmente dal disco di accrescimento, mentre la radiazione infrarossa da un toro esterno più grande, un anello di polvere a forma di ciambella che avvolge il disco di accrescimento. Quelle doppie osservazioni sovrapposte hanno rivelato un nuovo dettaglio importante: i cambiamenti della luce visibile sono echeggiati da cambiamenti della luce infrarossa. Poiché il disco di accrescimento luminoso proietta la sua luce verso il toro più scuro, dove essa viene assorbita e riemessa alle lunghezze d’onda dell’infrarosso, l’eco è la prova conclusiva che si sta verificando una sorta di rapido cambiamento all’interno del disco di accrescimento stesso. “Scommetterei una discreta cifra di denaro – anche se non il mio mutuo o il mio prestito studentesco – che le semplici variazioni del tasso di accrescimento sono la spiegazione più probabile”, afferma Nicholas Ross, co-autore del nuovo studio e astronomo all’Università di Edimburgo.

Con questo modello in mente, Graham, Ross e colleghi hanno analizzato i dati della Catalina Sky Survey, che raccoglie curve di luce su scala decennale (misure di luminosità in funzione del tempo) per circa mezzo miliardo di sorgenti del cielo. Innanzitutto, il team ha passato al setaccio i dati di Catalina per scovare oggetti classificati come quasar in base ai loro spettri (i vari colori della loro luce emessa). In secondo luogo, ha analizzato le curve della luce visibile per trovare quasar che si sono attenuati nel tempo, facendo un confronto incrociato con le curve nello spettro infrarosso (usando i dati del satellite Wide-Field Infrared Survey Explorer della NASA) per verificare come si fosse attenuato ciascun candidato in entrambi i tipi di radiazione. Infine, i ricercatori hanno esaminato di nuovo lo spettro post-attenuazione di ciascun oggetto per verificare se l’oggetto si fosse trasformato in una galassia. Quindi hanno cercato le galassie che si erano trasformate in un quasar.

Nel complesso, il gruppo ha scoperto 111 quasar in rapida evoluzione che si aggiungono ai 60 circa già noti. Ma oltre alla semplice aggiunta di voci a un catalogo, il nuovo articolo costituisce una solida conferma di un modello emergente delle circostanze fisiche responsabili di questo enigmatico fenomeno.

Questo risultato, sostiene Eric Morganson, astronomo dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, che non era coinvolto nello studio, lo rende una pietra miliare. In astronomia, ogni nuova bizzarria – persino gli stessi quasar, scoperti a metà del Ventesimo secolo – entra per la prima volta in campo in una serie di articoli che destano sorpresa, che sottolineano principalmente la sua stranezza. Gli astronomi iniziano con alcuni esempi che li lasciano perplessi. Ma via via che conducono ricerche sistematiche e scoprono di più, arrivano a una comprensione più profonda, costruendo modelli migliori di ciò che credono si stia verificando. Alla fine, la ricerca supera una soglia in cui le osservazioni, per lo più, pongono dei limiti ai modelli esistenti anziché dare origine a nuovi. Questo studio segna quel punto di svolta, dice Morganson.

Nel nuovo campione, ogni quasar contrassegnato ha prima mostrato un cambiamento nella luce visibile, seguito da un cambiamento nella luce infrarossa. Questa è una prova sufficiente, secondo gli autori dell’articolo, per concludere che il cambiamento osservato è intrinseco a un quasar stesso piuttosto che essere il risultato di qualche evento o forza esterna. In quanto tale, il gruppo sostiene che per riferirsi a questi oggetti sarebbe meglio parlare di quasar che cambiano stato, e non di quasar che cambiano aspetto, per riflettere la vera natura della loro origine.

Nomenclatura a parte, il nocciolo del mistero rimane: come, esattamente, un intero quasar può improvvisamente spegnersi? E come, esattamente, una galassia può improvvisamente illuminarsi?

I cambiamenti di temperatura nel disco di accrescimento – indotti, forse, da fronti freddi o caldi di gas, oppure cambiamenti di campi magnetici o una loro combinazione – sono la spiegazione preferita dai ricercatori.

Indipendentemente dalla causa principale, il loro studio ha anche elaborato un modello per spiegare come dovrebbe essere un disco di accrescimento perché tali cambiamenti si propaghino così rapidamente. In particolare, il gruppo ha scoperto che un disco deve essere gonfio e molto viscoso per presentare cambiamenti così rapidi. “Puoi trasmettere un’onda attraverso la melassa più velocemente di quanto puoi fare attraverso l’acqua”, afferma la coautrice dello studio Kathleen E. Saavik Ford, astronoma all’American Museum of Natural History (AMNH) di New York City e del Borough of Manhattan Community College della City University di New York (BMCC). Lo stesso vale per un disco più spesso e soffice, qualcosa che assomiglia più a una ciambella che a un CD. “Puoi pensarlo, in un certo senso, come un tubo”, dice Saavik Ford. “È possibile trasmettere informazioni più velocemente attraverso un tubo largo che attraverso un tubo stretto.” Quindi, indipendentemente da quale sia il cambiamento, probabilmente è richiesto un disco gonfio e viscoso.

Questa conclusione è contraria all’opinione scientifica condivisa da tempo, secondo cui quei dischi dovrebbero essere sottili. Ma il co-autore dello studio Barry McKernan, astronomo dell’AMNH e del BMCC, sostiene che la scoperta è in accordo con recenti lavori teorici che dimostrano che i dischi di accrescimento potrebbero essere piuttosto spessi.

Tuttavia, l’esatto meccanismo in atto nel caso dei quasar che spariscono rimane sconosciuto. John Ruan, astronomo della McGill University, che non era coinvolto nello studio, sostiene che in ogni caso potrebbe non essere necessario selezionare un solo meccanismo. Un dato che emerge da tutti i nuovi esempi è la loro impressionante diversità. Alcuni sembrano cambiare gradualmente, mentre altri lampeggiano rapidamente. “Non sarei affatto sorpreso se i quasar che cambiano aspetto fossero dovuti a una varietà di processi”, dice.

Osservazione dei Quasar

I primi quasar furono scoperti con radiotelescopi all’inizio degli anni sessanta da Allan Sandage ed altri studiosi. Il primo spettro di un quasar, che rivelò numerose linee di emissione (come le già note galassie di Seyfert), dalle quali si misurò il caratteristico spostamento verso il rosso, fu ottenuto da Maarten Schmidt nel 1963. Una volta identificata la classe di oggetti, fu possibile rintracciarli su lastre fotografiche risalenti anche al XIX secolo.

Argomento di aspri dibattiti durante gli anni sessanta fu se i quasar fossero vicini oppure lontanissimi, come indicava il loro redshift. Un forte argomento contro i quasar posti a distanze cosmologiche era che la grande distanza implicava luminosità così alte per le quali nessun processo conosciuto all’epoca, compresa la fusione nucleare, avrebbe fornito l’energia necessaria. Alcuni suggerirono che i quasar fossero composti da antimateria, altri che fossero buchi bianchi. Questa obiezione fu rimossa con la proposta del meccanismo del disco di accrescimento, e oggi la distanza cosmologica dei quasar è generalmente accettata.

Le immagini del Telescopio Spaziale Hubble di vari quasar permisero, negli anni novanta, di scoprire le galassie ospiti di questi oggetti, fornendo così una prova decisiva per l’inquadramento di questi oggetti nei modelli unificati delle galassie attive.

Spettro di emissione

I quasar emettono radiazione in quasi tutte le regioni dello spettro elettromagnetico, dalle onde radio (o dall’infrarosso nel caso dei q. con debole radioemissione) fino ai raggi X e gamma. Si osserva, in particolare, una marcata emissione nell’ultravioletto, che viene spesso utilizzata per individuare questi oggetti distinguendoli dalle stelle.

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Figura 1

La figura 1 è un diagramma degli indici di colore dei quasar, U-B e B-V (dove UBV sono, nell’ordine, le magnitudini apparenti ultravioletta, blu e visuale;  fotometria). Si nota che i q. non soltanto presentano un forte eccesso ultravioletto rispetto alle stelle di sequenza principale (curva continua), ma che i loro punti rappresentativi cadono, in buona parte, al di sopra della retta tratteggiata corrispondente all’emissione di un corpo nero. Alla componente continua dello spettro sono sovrapposte numerose righe sia di emissione sia di assorbimento. La caratteristica saliente dello spettro dei q. è il fortissimo spostamento verso il rosso di tutte le righe di emissione. Il fenomeno, attribuito all’effetto Doppler, è illustrato in figura 2, che mostra una porzione dello spettro del quasar OQ 172.

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Figura 2

L’intensità del flusso è riportata in funzione della lunghezza d’onda emessa λ o (scala in basso) e di quella osservata λ (scala in alto). Si nota, per es., che la riga Lyman-α viene osservata a λ=550,8 nm, cioè nella regione verde dello spettro visibile, mentre la sua lunghezza d’onda di riposo (λ o =121,6 nm) cade nell’ultravioletto. Nel caso in figura, il redshift/”>redshift, definito come z=(λλ o )/λ o , è 3,53, un valore di gran lunga maggiore di quelli tipici delle stelle (z≲0,002) e anche delle galassie ordinarie (la maggioranza delle quali ha z≲0,5).

 

Distanza e distribuzione spaziale

È opinione diffusa (anche se non universalmente accettata) che il redshift dei q. sia di origine cosmologica, cioè sia prodotto, per effetto Doppler, dal moto di espansione dell’Universo. Le velocità che si deducono dalla teoria dell’effetto Doppler sono enormi, fino a oltre 0,9 c (c=velocità della luce).

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Figura 3

Corrispondentemente, la legge di Hubble implica che i q. siano assai lontani. Per es., per z=2 si trova una distanza di circa 3800 Mpc (1 Mpc=106 parsec), pari a circa 12 miliardi di anni luce. D’altra parte, per studiare la distribuzione radiale dei quasar, si preferisce esprimere le loro distanze direttamente in termini di z, anziché in Mpc. I valori del redshift dei q. variano entro un ampio intervallo, da meno di 0,1 a oltre 4. La distribuzione non è però uniforme.

In figura 3, la densità spaziale d dei q. con z=0,5 e z=2 è riportata in funzione della loro magnitudine bolometrica assoluta MB: si nota non soltanto che i q. con z=2 sono più numerosi di quelli con z=0,5, ma anche che la loro luminosità è maggiore. In generale, si trova che la luminosità assoluta dei q. tende ad aumentare con la distanza.

Dimensioni, struttura, massa

Le dimensioni dei q. possono dedursi dalla variabilità della loro luminosità. Infatti, secondo la teoria della relatività, la luminosità di una sorgente non può variare su tempi più brevi di quelli impiegati da un segnale luminoso per attraversare la regione di emissione. È possibile, pertanto, fissare un limite superiore alle dimensioni della sorgente, moltiplicando la velocità della luce per il tempo sul quale la sua luminosità subisce variazioni sostanziali. Si è così trovato che le dimensioni di questi oggetti non possono superare un anno luce: una lunghezza assai piccola, se confrontata con i diametri tipici delle galassie (dell’ordine di decine di migliaia di anni luce). La massa dei q. è difficile da valutare. Una stima grossolana può essere ottenuta dalla luminosità. Questa, infatti, non può superare il cosiddetto limite di Eddington, oltre il quale la pressione di radiazione prevarrebbe sulla attrazione gravitazionale, espellendo gli strati di materia più esterni. Al crescere della massa del corpo, cresce anche il limite di Eddington: pertanto, supponendo che la luminosità di un q. sia vicina a tale limite, se ne può dedurre la massa. Si trovano valori dell’ordine di 109 M ⊙ (M ⊙ =massa solare).

Sorgenti di energia e meccanismi di emissione

I quasar pongono alcuni dei problemi più impegnativi con cui le teorie astrofisiche devono oggi confrontarsi. Infatti, se essi sono effettivamente così lontani come implicato dai loro redshift, l’energia emessa è enorme. Si tratta allora di spiegare come oggetti aventi un diametro di appena un anno luce (e forse meno) possano avere una luminosità pari a quella di 1000 galassie, formate ciascuna da 100 miliardi di stelle. È proprio per evitare questa difficoltà che alcuni astrofisici rifiutano tuttora l’interpretazione cosmologica del redshift. Secondo il punto di vista più largamente accettato, la sorgente che alimenta i quasar è l’energia gravitazionale di un corpo massiccio e molto denso, probabilmente un buco nero, capace di catturare continuamente nuova materia.

quasarGalassie ospiti

Le osservazioni più recenti hanno rivelato la presenza di aloni luminosi intorno a quasi tutti i q. con z<0,5. Questi aloni vengono interpretati come galassie (le cosiddette galassie ospiti), delle quali i quasar costituirebbero il nucleo. Molto probabilmente, tutti i quasar sono nuclei di galassie, anche se queste, a redshift maggiori di 0,5, hanno in genere una luminosità troppo debole per essere osservabili.

Lenti gravitazionali e quasar

La teoria della relatività generale fa prevedere che un corpo massiccio, situato sulla linea di vista di una sorgente, ne defletta i raggi luminosi, producendo, in certe circostanze, uno sdoppiamento dell’immagine. Il fenomeno, noto come lente gravitazionale o miraggio gravitazionale, fu ipotizzato da A. Einstein nel 1936. La prima conferma sperimentale dell’effetto è stata fornita, nel 1980, dal q. 0957+561, di cui si rivelarono due immagini identiche a una distanza angolare di 6″(figura 5). Da allora sono state scoperte parecchie altre immagini sdoppiate di quasar.

quasar

Studio dei quasar e implicazioni cosmologiche

Il più intenso spostamento verso il rosso conosciuto per un quasar, appartenente al quasar scoperto nel 2011, ULAS J1120+0641, è di 7,085±0,003, equivalente ad una distanza comovente di 28,85 miliardi di anni luce; quindi si tratta del quasar più distante conosciuto. Tale notevole distanza implica che questo quasar si fosse già formato a soli 770 milioni di anni dal Big Bang. I quasar osservabili più vecchi sono quindi posti all’inizio della formazione ed evoluzione delle galassie.

Il fatto che i quasar fossero più frequenti nelle fasi iniziali dell’universo è stato utilizzato da Maarten Schmidt nel 1967 come argomento a favore della teoria del Big Bang contro la teoria antagonista dello stato stazionario di Fred Hoyle. I quasar presentavano infatti elevati spostamento verso il rosso cosmologico (redshift), indice del loro allontanamento. Va detto anche che, recentemente, sono stati scoperti quasar con redshift non cosmologico ma dovuto alla presenza di buchi neri.

I quasar suggeriscono anche alcuni indizi sulla fine della reionizzazione dell’universo. I quasar più vecchi presentano chiare regioni di assorbimento, il che indica che il mezzo intergalattico del tempo era gas neutro. I quasar più recenti non mostrano regioni di assorbimento, ma piuttosto un’area confusa conosciuta come la foresta Lyman-alfa. Questo indica che il mezzo intergalattico ha subito una reionizzazione ridiventando plasma, e che il gas neutro esiste solo in piccole nubi.

Un’altra caratteristica interessante dei quasar è che mostrano evidenze di elementi più pesanti dell’elio. Questo è preso come indizio del fatto che le galassie, all’inizio della loro vita, hanno attraversato una fase di massiccia formazione stellare creando stelle di popolazione III tra il tempo del Big Bang e i primi quasar osservati. Ma, fino al 2004, non è stata trovata alcuna evidenza a favore di queste stelle e, se esse non saranno trovate negli anni a venire e non sarà trovata una spiegazione alternativa plausibile per la presenza di elementi pesanti, si dovrà riconsiderare l’intero attuale modello di Universo.

Il telescopio spaziale Spitzer nel 2005 ha osservato luce che potrebbe provenire da tali stelle, ma manca ancora una conferma definitiva.

Università degli Studi di Firenze – Espansione dell’Universo, più vicini al Big Bang grazie ai quasar – Lo studio firmato da Guido Risaliti del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Firenze e pubblicato su Nature Astronomy, permette per la prima volta di misurare l’espansione dell’Universo andando indietro nel tempo fino a circa un miliardo di anni dopo il Big Bang.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Understanding extreme quasar optical variability with CRTS: II. Changing-state quasars – Matthew J. Graham, Nicholas P. Ross, arXiv:1905.02262
  2. “Scientific American” il 12 dicembre 2019
  3. Hubble Surveys the “Homes” of Quasars Hubblesite News Archive, 1996–35
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