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Articolo pubblicato il 17-11-2004
di Giorgio G.C. Palumbo
Dipartimento di Astronomia
dell'Università di Bologna
http://urania.bo.astro.it
Numero 10 - Anno I
17 Novembre 2004
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 Singhiozzi Cosmici
Il cielo stellato è ancora uno degli spettacoli naturali mozzafiato che una persona possa godere da Terra. Diventa però sempre più raro goderne, immersi come siamo nelle fatue luci delle nostre popolose e accecanti città. A causa di ciò, sempre più raramente, i membri delle così dette società civili, hanno motivo di riflettere sul fatto che viviamo immersi in un Universo a dir poco sconcertante, anche per le menti più indifferenti.
Mai come oggi però, una minuscola ma dinamica frazione degli umani, (in Italia un cittadino su circa 30.000) scruta, con intensità e attenzione, gli oggetti celesti con potenti telescopi terrestri e spaziali con l'intento di capire. Capire quanti sono, come funzionano e quale sia l'origine di tanta immensità e diversità del Cosmo di cui siamo una minuscola parte. Dallo spazio si può vedere la luce che non solo non è percepibile dai nostri occhi, ma non arriva neppure fino a Terra causa l'assorbimento della atmosfera terrestre. A seconda della sua lunghezza d'onda si chiama radiazione infrarossa, ultravioletta, X e Gamma e ci rivela un Universo invisibile ai nostri occhi. L'Universo che è progressivamente apparso agli scienziati negli ultimi 40 anni è incredibilmente più grande, ricco e complesso del cielo stellato. E' oggi possibile guardare oltre la densa distribuzione di stelle della via Lattea e studiare le altre strutture ad essa simili, le Galassie, per la prima volta osservate, nei primi anni '20, grazie all'allora più potente telescopio del mondo, il telescopio di Monte Palomar. Oggi le Galassie si contano a miliardi. La luce che emettono, la cui velocità è la massima raggiungibile, impiega anni, millenni, e, per le più lontane, miliardi di anni prima di giungere sino a noi. Mentre il geologo e l'archeologo scavano, per scoprire vestigia del passato, l'astronomo con i suoi più potenti strumenti guarda oggetti sempre più deboli, dunque più lontani, ed il passato lo osserva direttamente.
Alcune Galassie sono molto più brillanti di altre. La parte più brillante non è però dovuta alle stelle, ma proviene dal centro, il così detto Nucleo Attivo o AGN, che sovrasta in luminosità la luce dei miliardi di stelle che appartengono alla Galassia che lo ospita. L'analisi della luce, non solo visibile, che le stelle e le Galassie emettono, permette di capire quali meccanismi la generano e quindi cosa le fa brillare così tanto e per così tanto tempo. Ci dice cioè come sono fatti gli oggetti celesti.
I Nuclei Galattici Attivi sono gli oggetti più luminosi nell'Universo. Sono milioni di volte più luminosi di Galassie quali quella in cui ci troviamo, e per questo si possono vedere a così grande distanza. I più lontani, più brillanti, ma di cui si conosce ancora poco si chiamano Quasar e distano miliardi di anni luce. Capire cosa succede in questi nuclei brillanti è un passo fondamentale per comprendere l'origine e l'evoluzione dell'Universo, ma non è cosa facile. Per penetrare al loro interno e spiarne i meccanismi che li fanno brillare, ci vuole una luce penetrante che non venga assorbita dal materiale posto sulla linea di vista tra telescopio e AGN. Questa luce è quella dei raggi X.
Lo studio dei fenomeni naturali che fanno parte della nostra vita e dell'Universo a cui apparteniamo diventa Scienza solo quando si riesce a descriverne la natura ed il comportamento in termini matematici. La trattazione matematica del comportamento della materia quando essa è sottoposta a contrazione gravitazionale conclude che una massa di materia superiore ad alcune masse solari si contrae sino a raggiungere una densità tale da impedire persino alla luce di uscirne. Per questo motivo l'unica ipotesi che è sopravvissuta ai numerosi test è che gli AGN siano buchi neri e l'energia che essi emanano è generata da materia che cade su un buco nero. I buchi neri sono oggetti concettualmente semplici ma così estremi che si stenta a credere possano veramente esistere. Macchine efficientissime nel produrre energia, non riproducibili nei nostri laboratori e non realizzabili su scale umane, gli AGN rappresentano dunque uno dei punti chiave della moderna astrofisica ed una sfida alle conoscenze fisiche della gravitazione e del comportamento della materia in condizioni estreme.
Gli AGN sembrano differenziarsi in due grandi famiglie. Quelli che non brillano nella banda radio, detti perciò radio quieti, la maggior parte dei quali sono Galassie dette di Seyfert, ed i radio brillanti, perlopiù Quasar. La radiazione X ci permette non già di vedere il buco nero, che tutto inghiotte, ma la materia circostante che, fatalmente attratta precipita sul buco nero riscaldandosi a temperature dell'ordine di centomila gradi. Basti pensare che il ferro bolle intorno ai 3000 gradi, quindi siamo in presenza di gas completamente ionizzati nei quali non esistono neppure gli atomi ma solo le loro componenti, nuclei ed elettroni.
Tra le tante Quasar note, una delle più studiate ed osservate, perché brillante, è registrata con la sigla 3C 273, perché questa e' la posizione (la 273esima) che occupa nel terzo catalogo di oggetti radio emittenti, compilato a Cambridge più di 30 anni fa da radioastronomi inglesi. 3C 273 è molto brillante nella banda radio ma emetta anche molta luce visibile e ancor più nella banda X.
3C 273 non solo si comporta come un Quasar, ovvero emette un fiotto di materia e radiazione collimata sotto forma di getto, una specie di emissione molto energetica brillante nella banda radio, ottica ed X, ma mostra anche alcune caratteristiche tipiche delle Galassie di Seyfert che brillano a causa della materia che inghiotte il buco nero centrale, e mostrano segni di presenza di ferro nel materiale emittente. Ciò appare molto strano e complesso perché il modello così detto unificato degli AGN spiega i due tipi di nuclei attivi come un unico fenomeno.
Al centro c'è un buco nero che attrae e fagocita materia che si dispone su un disco rotante detto di accrescimento e cadendo a spirale verso il buco nero si scalda ed emette radiazione ottica ed X. Tutto ciò è circondato da materiale più freddo, probabilmente parte di ciò che successivamente diventerà il disco, che a seconda dell'angolo di inclinazione che la Galassia forma con la direzione del telescopio che la osserva, assorbe più o meno la radiazione rendendo più o meno visibile la luce emessa. Dal disco emergono inoltre i segnali che denunciano la presenza di ferro evaporato dal materiale ionizzato che diviene progressivamente più caldo più si fa sentire l'attrazione gravitazionale del buco nero.
Gli oggetti radio emittenti non sono molto diversi, il meccanismo di generazione dell'energia emessa è sempre quello di materia che cade su un buco nero. L'energia totale è però maggiore, si forma un campo magnetico che intrappola le particelle cariche nel disco e forma il getto luminoso. Questo getto più è puntato verso di noi più diviene facilmente visibile, però un po' ci acceca e ci impedisce di vedere dettagli di ciò che avviene alla materia quando è nel disco.
I meccanismi fisici che caratterizzano l'emissione da un disco di accrescimento e l'emissione da un getto sono diversi, ed ecco che studiando la distribuzione della luce emessa si è in grado di discriminare tra un AGN e l'altro.
L'Italia, nei primi anni '90, costruì e mise in orbita un satellite con a bordo un telescopio X formato da vari strumenti che permettevano di vedere la radiazione X su l'intera gamma di due decadi, caratteristica mai ottenuta da altri strumenti. Questo satellite, nominato Beppo-SAX, operò per 6 anni durante i quali, oltre ad altri oggetti celesti X emittenti, ha osservato più di 200 AGN.
Beppo-SAX, durante la sua vita, ha osservato 3C 273 per 6 volte tra il 1996 ed il 2001. Come è ormai prassi consolidata, tutti i dati astronomici sono depositati in banche dati, accessibili a tutti i ricercatori interessati a studiarli.
Quei dati, come molti altri, sono stati studiati da scienziati di fama negli anni passati ma senza che nessuno fosse in grado di interpretarli e spiegare perché 3C 273 espelle materia attraverso il suo getto come un normale Quasar ma, a volte, mostra presenza di ferro e altre emissioni tipiche delle Galassie di Seyfert. In altri termini non contraddice il modello unificato ma contrasta con la separazione tra AGN radio luminosi e radio quieti.
In collaborazione con Paola Grandi, ricercatrice presso l'Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica (www.bo.iasf.cnr.it)del CNR di Bologna, ora accorpato all'INAF, abbiamo utilizzato i dati di Beppo-SAX e li abbiamo analizzati con l'intento di sbrogliare la matassa e cercare di capire l'ambiguo comportamento del famoso Quasar. Proprio grazie alla formulazione matematica che permette di identificare i fenomeni naturali con equazioni, abbiamo cercato di interpretare i dati delle diverse osservazioni a disposizione, scomponendoli per meccanismi. Va spiegato che mentre la materia che cade, attratta dalla gravità, su un buco nero, emette luce (radiazione X in questo caso) secondo un preciso meccanismo, materia che cade sul disco caldo di materia con moto a spirale intorno al buco nero, emette secondo un diverso meccanismo così come materia espulsa nel getto emette grazie ad un diverso meccanismo ancora. Queste radiazioni vengono emesse su una ampia gamma di frequenze, tutte accessibili con gli strumenti a bordo di Beppo-SAX. La combinazione di questi meccanismi (cinque e talvolta più) adattata ai dati dalle macchine di calcolo oggi a disposizione in tutti gli istituti di ricerca, ha permesso di separare il contributo delle varie componenti al flusso di luce totale che osservarono i telescopi di Beppo-SAX. Così facendo, quasi per magia, i risultati prendevano forma e davano un senso alle finora ingarbugliate osservazioni. Lunghe discussioni tra noi ha portato ad un modello fisico, contrapposto al finora utilizzato modello fenomenologico, per 3C 273. Questo modello fisico ci dice che, al centro del Quasar esiste un buco nero pesante cento milioni di volte il Sole, la cui massa concentrata in una sfera di raggio circa 100 volte la distanza Terra Sole, attrae la materia circostante, la sgretola e la riduce a gas incandescente che si dispone in un disco ruotante, di dimensioni tra le 100 e le 1000 volte quelle del buco nero, a cui ruota attorno.
L'emissione nella banda X emessa da 3C 273 varia da un anno all'altro come ha registrato Beppo-SAX osservando il Quasar tra il 1996 ed il 2001. Queste variazioni indicano, che 3C 273 dapprima ingurgita materia attraverso il disco, poi, quasi soffocato diminuisce di luminosità ed appare più brillante il gas emesso nel getto. Ciclicamente passa nuovamente ad ingurgitare materia, il disco si illumina e, per poco, sovrasta la luce emessa dal getto e così di seguito. Si stima che 3C 273 abbia circa 100 milioni di anni di tempo per alimentarsi, poi il suo combustibile si esaurirà e apparirà spento. Anzi essendo a 3 miliardi di anni luce da noi forse si è già spento ma noi non lo sapremo mai. Variazioni di un anno per un Quasar, paragonate alla vita attiva del Quasar, equivalgono a mezzo minuto per una vita media di una persona. I sussulti del flusso di radiazione osservati sono effetti della digestione di 3C 273. Insomma il Quasar forse mangia troppo in fretta e, ogni tanto, gli viene il singhiozzo. Il bello della Scienza è che ogni risposta innesca nuove domande. Infatti l'obiettivo ora è capire quante altre 3C 273 esistono sparse per l'Universo e cosa causa i loro singhiozzi. Si vorrebbe anche conoscerne la durata e….
il resto alla prossima puntata.
Elementi Multimediali - Video che mostra l'evoluzione del fenomeno
attenzione 3,85 Mb (4 minuti)
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Per vedere il filmato è necessario aver installato sul proprio computer il Programma Gratuito Real Player http://www.real.com/
Autore del Video, Luigi Correra dell' Istituto per la Microelettronica e Microsistemi (IMM) del CNR di Bologna
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Autore: Giorgio G.C. Palumbo
Dipartimento di Astronomia
dell'Università di Bologna
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