UNA NUOVA TECNICA PER MISURARE L’UNIVERSO DISTANTE

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03 dicembre 2015

Gli scienziati hanno sviluppato una tecnica per usare i quasar – potenti fonti guidate da buchi neri supermassicci al centro delle galassie – per studiare la storia e la composizione dell’Universo. Per dimostrare il nuovo metodo, basato su una relazione tra la luminosità di una quasar alle lunghezze d’onda a raggi X e ultravioletti, hanno fatto ampio uso dei dati dall’osservatorio X-Newton X-ray dell’ESA. Questo approccio promette di diventare uno strumento importante per limitare le proprietà del nostro Universo.


Vista dell’artista di un buco nero al centro di un quasar. Credito: ESA-C. Carreau

Al centro della maggior parte delle galassie massicce nell’Universo c’è un buco nero supermassiccio – una concentrazione di materia così densa da attirare qualsiasi cosa nelle vicinanze, compresa la luce. Tali buchi neri hanno masse da milioni a miliardi di volte quelle del Sole e sono generalmente inattivi, accrescendo solo occasionalmente la nube di stelle o di gas che si avventura troppo vicino al centro della galassia.

Una piccola parte di essi è, tuttavia, estremamente attiva, divorando materia ad un ritmo molto alto, facendo splendere il materiale circostante attraverso lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi X e ai raggi gamma. In alcuni casi, l’emissione dalla materia in prossimità del buco nero è così intensa che il nucleo della galassia eclissa le stelle. Questi oggetti appaiono come sorgenti puntiformi nel cielo, come le stelle, e sono conosciuti come quasar – abbreviazione di fonti quasi stellari.

I quasar consentono agli scienziati di studiare la gravità nel campo molto forte dei buchi neri supermassicci. Inoltre, il confronto delle proprietà dei quasar con quelle di altre galassie che ospitano buchi neri attivi o passivi può rivelare aspetti interessanti sull’evoluzione delle galassie rispetto alla storia cosmica.

Ma un altro aspetto suscitò l’interesse di due scienziati dell’Osservatorio Astrofisico di Arcetri a Firenze, in Italia: si resero conto che i quasar possono essere usati come sonde della storia di espansione dell’Universo. I risultati del loro studio sono presentati in un documento, pubblicato oggi su The Astrophysical Journal .

” La storia dell’espansione cosmica contiene una grande quantità di informazioni sull’Universo, inclusa la sua età e la relativa abbondanza dei suoi componenti, e per fissarlo dobbiamo osservare le fonti astronomiche a una vasta gamma di distanze da noi ” , spiega Guido Risaliti , uno degli scienziati che ha guidato lo studio.

Quarar (piccole fonti puntuali) e ammassi di galassie (più grandi blob rossi e gialli) in un’immagine XMM-Newton del campo COSMOS. Credito: ESA / XMM-Newton / G. Hasinger, N. Cappelluti e la collaborazione XMM-COSMOS

” Ma la determinazione delle distanze nell’universo non è affatto banale e può essere meglio eseguita solo con poche classi di fonti: in questo studio mostriamo come può essere fatto con i quasar “, aggiunge.

L’ostacolo principale alla misurazione delle distanze dagli oggetti astronomici risiede nella nostra ignoranza del loro vero splendore, che rende praticamente impossibile valutare se una sorgente sia intrinsecamente luminosa o se appaia così perché è molto vicina a noi.

Per le stelle relativamente vicine nella nostra Galassia, gli astronomi possono ottenere un manico molto preciso sulle distanze usando la parallasse – il minuscolo spostamento apparente della posizione di una stella nel cielo se osservato da diverse posizioni nell’orbita terrestre. Tuttavia, maggiore è la distanza più piccola è la parallasse, che limita la portata di questo metodo al nostro vicinato cosmico locale.

Più lontano, gli astronomi devono fare affidamento su “candele standard” – oggetti astronomici la cui luminosità intrinseca può essere calcolata da un’altra delle loro proprietà osservabili.

Tra le candele standard più usate ci sono le supernove di tipo Ia – che esplodono le stelle nane bianche in un sistema binario. Queste esplosioni rilasciano all’incirca la stessa quantità di energia ogni volta, quindi la loro luminosità osservata è un buon indicatore della luminosità effettiva e, a sua volta, della loro distanza.

Negli anni ’90, gruppi di scienziati hanno raccolto molte osservazioni di queste supernovae per mappare le distanze a galassie lontane e per studiare come queste siano influenzate dall’espansione cosmica complessiva. Ciò ha portato alla sorprendente scoperta che l’espansione dell’Universo sta attualmente accelerando sotto l’effetto repulsivo di una misteriosa energia oscura.

Nel modello cosmologico standard, l’energia oscura domina l’universo attuale, costituendo circa tre quarti del suo bilancio energetico totale, con l’invisibile materia oscura che rappresenta circa un quinto del totale, e la materia ordinaria ammonta a solo un piccolo percento. Ma non è sempre stato così, e scavare in profondità nella storia del nostro cosmo è cruciale per capire la natura e l’evoluzione di queste componenti “oscure”.

” Le supernove di tipo Ia sono uno strumento potente per la cosmologia, ma non possono essere osservate a distanze molto grandi da noi, quindi sono principalmente utilizzate per sondare l’universo relativamente recente ” , afferma la coautrice Elisabeta Lusso.

Poche supernovae di tipo Ia sono state osservate in precedenti fasi cosmiche, quando il nostro Universo di quasi 14 miliardi di anni aveva meno di 5 miliardi di anni.

” Questo è il motivo per cui suggeriamo di integrare le supernove di tipo Ia con quasar, che possono essere osservate in grandi quantità a distanze molto maggiori, esplorando la storia cosmica fino all’epoca in cui l’Universo aveva solo un miliardo di anni “, aggiunge.

Per determinare quanto siamo lontani da noi quasar, Risaliti e Lusso hanno usato un’interessante proprietà di queste fonti: un legame tra la quantità di luce che emettono alle lunghezze d’onda dei raggi ultravioletti e dei raggi X, che è nota dalla fine degli anni ’70.

Entrambi i tipi di emissione derivano dall’attività del buco nero, sebbene siano causati da processi diversi. Mentre il materiale accostato fluisce verso il buco nero attraverso un disco, viene riscaldato per attrito e brilla luminoso alle lunghezze d’onda visibili e ultraviolette. Quindi, parte della luce emessa dal disco interagisce con gli elettroni vicini, ricevendo un extra di energia e trasformandosi in raggi X.

Il punto chiave alla base dell’applicazione di questa relazione alla cosmologia è che il legame tra le luminanze alle due diverse lunghezze d’onda non è lineare. Ciò significa che il rapporto tra i raggi X misurati e le emissioni ultraviolette di una quasar non è fisso, ma varia – in modo noto – a seconda della luminosità ultravioletta stessa. Quindi, misurando i raggi X della quasar e l’emissione ultravioletta, gli scienziati possono stimare la luminosità assoluta alle lunghezze d’onda dell’ultravioletto; a sua volta, questo può essere usato per misurare la distanza del quasar.

Determinazione delle distanze tra supernove e quasar nell’universo in espansione. Da Risaliti & Lusso, ApJ, vol. 815, 2015
 

Mentre il meccanismo fisico alla base di questa relazione non è chiaro, Risaliti e Lusso potrebbero ancora usarlo per trattare i quasar come candele standard e utilizzarli come indicatori di distanza per studi cosmologici.

Per fare ciò, hanno compilato un campione pilota di quasar con misurazioni sia di raggi ultravioletti che di raggi X, raccogliendo 1138 fonti da diversi set di dati che sono stati pubblicati nella letteratura scientifica negli ultimi dieci anni. La maggior parte dei dati a raggi X proviene da indagini eseguite con XMM-Newton dell’ESA, incluso il sondaggio COSMOS.

“In primo luogo, abbiamo verificato che la relazione tra luminosità ultravioletta e raggi X è valida per i quasar osservati in qualsiasi epoca cosmica: questa è una condizione essenziale se vogliamo considerarli come sonde cosmologiche ” , spiega Risaliti.

Quindi, gli scienziati hanno determinato le distanze dai quasar nel loro campione e li hanno usati per studiare come l’espansione dell’Universo è cambiata nell’arco della storia cosmica coperta da queste fonti. Da ciò, hanno valutato l’abbondanza relativa della materia oscura e dell’energia oscura nell’Universo, ottenendo risultati che concordano con le stime attuali ottenute da supernovae e altre osservazioni, anche se con errori più grandi.

“I quasar sono uno strumento meno preciso per misurare le distanze rispetto alle supernove di tipo Ia, ma forniscono informazioni complementari sull’Universo distante che è inaccessibile alle osservazioni delle supernova ” , afferma Lusso.

Il potere di questo nuovo approccio è scatenato al meglio attraverso la combinazione di quasar e supernove di tipo Ia, che copre oltre 13 miliardi di anni di evoluzione cosmica per indagare su come l’Universo è cambiato nella maggior parte della sua storia. In effetti, combinando i dati delle attuali rilevazioni di entrambi i tipi di fonti, si riducono i vincoli sull’abbondanza relativa della materia oscura e dell’energia oscura, che sono più stretti e più precisi di quelli ottenuti dalle sole supernove.

Il metodo sviluppato da Risaliti e Lusso appare particolarmente promettente alla luce delle indagini future, poiché un campione di quasar più grande significa errori minori sui parametri cosmologici.

Sul fronte dei raggi X, lo strumento eROSITA a guida tedesca a bordo del satellite russo Spektr-RG, previsto per il lancio nel 2017, dovrebbe osservare milioni di quasar e l’Advanced Telescope dell’ESA per l’astrofisica ad alta energia ( ATHENA ), previsto per il lancio nel 2028, potrebbe esaminare fino a 10 milioni di quasar. Nel frattempo, la missione Euclid dell’ESA , progettata per il lancio nel 2020, osserverà alcuni milioni di quasar alle lunghezze d’onda del visibile e del vicino infrarosso: la porzione dello spettro in cui la luce ultravioletta emessa da quasar lontani viene spostata verso l’espansione cosmica.

” È molto gratificante vedere che i dati raccolti da XMM-Newton per molti anni vengono usati come base per un metodo creativo e promettente per indagare i segreti più oscuri del nostro Universo ” ,commenta Norbert Schartel, ESA XMM-Newton Project Scientist .

MAGGIORI INFORMAZIONI

“Un diagramma di Hubble per i quasar” di Guido Risaliti ed Elisabeta Lusso, è pubblicato su Astrophysical Journal.

Lo studio si basa su un campione di 1138 quasar che è stato ottenuto compilando molti set di dati diversi pubblicati in precedenza in articoli scientifici. Il campione contiene una stima della luminosità a raggi X e ultravioletta per ogni quasar. I dati dei raggi X provengono principalmente dall’osservatorio XMM-Newton X-ray dell’ESA, nonché dall’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA e dal satellite ROSAT a guida aerospaziale tedesco. La luminosità dell’ultravioletto è stata stimata utilizzando i dati dello Sloan Digital Sky Survey, Galaxy Evolution Explorer (GALEX) della NASA e Spitzer Space Telescope, il Subaru Telescope NOAJ, il Canada France Hawaii Telescope (CFHT), il Two Micron All Sky Survey (2MASS) e il UKIRT Infrared Deep Sky Survey (UKIDSS).

La missione multi-specchio X-Ray dell’Agenzia spaziale europea, XMM-Newton, è stata lanciata nel dicembre 1999. Il più grande satellite scientifico che sia stato costruito in Europa, è anche uno degli osservatori a raggi X più sensibili mai volati. Più di 170 specchietti cilindrici sottili come wafer dirigono la radiazione in arrivo in tre telescopi a raggi X ad alto rendimento. L’orbita di XMM-Newton occupa quasi un terzo della strada verso la Luna, consentendo una vista lunga e ininterrotta degli oggetti celesti.

CONTATTI

@

Guido Risaliti
INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Firenze, Italia, e 
Università di Firenze, Firenze, Italia 
Email: risaliti arcetri.astro.it 
Telefono: + 39-055-2752286

@

Elisabeta Lusso
INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri 
Firenze, Italia 
Email: lusso arcetri.astro.it

@

Norbert Schartel
ESA XMM-Newton Project Scienziato 
Direzione della scienza e esplorazione robotica 
Agenzia spaziale europea 
Email: Norbert.Schartel esa.int 
Telefono: + 34-91-8131-184
Ultimo aggiornamento: 04 dicembre 2015

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PANORAMICA DI XMM-NEWTON

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Missione

Impressione dell’artista di XMM-Newton

Obiettivo
Aumentando la nostra conoscenza di oggetti molto caldi creati quando l’Universo era molto giovane, XMM-Newton aiuterà a risolvere molti misteri, dai buchi neri alla formazione delle galassie.

Stato
in funzione

La missione
XMM-Newton sta rilevando più sorgenti di raggi X rispetto a qualsiasi altro satellite precedente e sta aiutando a risolvere molti misteri cosmici dell’Universo violento, da ciò che accade dentro e attorno ai buchi neri alla formazione di galassie nell’Universo primordiale. È progettato e realizzato per restituire i dati per almeno un decennio.

È il più grande satellite scientifico mai costruito in Europa. I suoi specchi telescopici sono i più sensibili mai sviluppati al mondo, e con i suoi rivelatori sensibili, vede molto più di qualsiasi altro satellite a raggi X.

Il design ad alta tecnologia di XMM-Newton utilizza oltre 170 specchi cilindrici sottilissimi sparsi su tre telescopi. La sua orbita prende quasi un terzo della strada verso la Luna, in modo che gli astronomi possano godere di lunghe vedute ininterrotte di oggetti celesti.

Cos’è speciale?

XMM-Newton è stato in grado di misurare per la prima volta l’influenza del campo gravitazionale di una stella di neutroni sulla luce che emette. Questa misura fornisce una visione molto migliore di questi oggetti.

Le stelle di neutroni sono tra gli oggetti più densi dell’universo: un pezzo di una stella di neutroni di un cubo zuccherino peserebbe più di mille milioni di tonnellate. Le stelle di neutroni sono i resti di stelle pesanti che terminano la loro vita in un’esplosione di supernova. In tali eventi catastrofici, la maggior parte della materia stellare viene espulsa nello spazio (per diventare infine i blocchi di costruzione di tutta la materia nell’Universo, incluso noi stessi). Parte di ciò che rimane poi collassa sotto la sua stessa gravità.

Gli scienziati ritengono che, in una stella di neutroni, la densità e le temperature siano simili a quelle esistenti una frazione di secondo dopo il Big Bang quando la zuppa primordiale della materia nell’Universo è stata “spezzata” nei suoi costituenti più fondamentali. Assumono che quando la materia è strettamente imballata come in una stella di neutroni, subisce importanti cambiamenti. Protoni, elettroni e neutroni – i componenti degli atomi – si fondono insieme. È possibile che anche gli elementi costitutivi di protoni e neutroni, i cosiddetti quark, vengano schiacciati insieme.

Gli scienziati hanno trascorso gli ultimi decenni cercando di identificare la natura della materia nelle stelle di neutroni. Per fare questo, hanno bisogno di conoscere alcuni parametri importanti, in modo molto preciso. Se conosci la massa e il raggio di una stella, o la relazione tra di essi, puoi ottenere la sua densità. Tuttavia, nessuno strumento è stato sufficientemente avanzato per eseguire le misurazioni necessarie, fino ad ora. Grazie all’osservatorio XMM-Newton dell’ESA, gli astronomi sono stati in grado di ottenere il rapporto massa-raggio di una stella di neutroni per la prima volta e acquisire i primi indizi sulla sua composizione. Questi indizi suggeriscono che le stelle di neutroni contengono materia normale, non esotica, sebbene non siano conclusive. Gli scienziati dicono che questo è un “primo passo chiave” e che continueranno la ricerca.

Questa misura è stata una prima osservazione astronomica ed è considerata un risultato enorme. Il metodo consiste nel determinare la compattezza della stella di neutroni in modo indiretto. L’attrazione gravitazionale di una stella di neutroni è immensa – migliaia di volte più forte di quella della Terra. Ciò fa perdere energia alla luce emessa dalla stella di neutroni. Questa perdita di energia è chiamata “redshift” gravitazionale. La misurazione di questo redshift di XMM-Newton indicava la forza dell’attrazione gravitazionale e rivelava la compattezza della stella.

Navicella spaziale

Il nome di XMM-Newton deriva dal design dei suoi specchi, i Multi-Mirrors a raggi X altamente nidificati. Questi stanno consentendo agli astronomi di scoprire più sorgenti di raggi X rispetto a qualsiasi osservatorio spaziale precedente. In un giorno, XMM-Newton vede più fonti in una piccola area rispetto a uno dei primi satelliti a raggi X che UHURU ha trovato in tutto il cielo durante i suoi tre anni di attività.

Tuttavia, il programma ha anche un nome più formale: la missione di spettroscopia a raggi X ad alto rendimento. La spettroscopia, la diffusione della luce in uno spettro, consente agli astronomi di misurare la composizione di una fonte. Allo stesso modo il colore di una lampada indica quale gas viene utilizzato nell’illuminazione stradale, i tre strumenti scientifici a bordo XMM-Newton riveleranno i segreti più profondi di una fonte, la sua composizione chimica, la temperatura e persino la velocità della sorgente.

XMM-Newton può cambiare il proprio orientamento in modo estremamente preciso usando due serie di quattro piccoli propulsori che utilizzano il gas idrazina e quattro ruote del momento montate sul veicolo spaziale sono il mezzo principale per controllarne l’assetto. Si basa sul sistema che in precedenza svolgeva la missione ISO e ora è anche in uso nella missione Integrale.

Viaggio

XMM-Newton, nella sua orbita di 48 ore, viaggia a circa un terzo della distanza dalla Luna. All’apogeo (il punto più lontano) di 114 000 chilometri di distanza dalla Terra, il satellite viaggia molto lentamente. Al perigeo (punto più vicino) passa 7000 chilometri sopra la Terra molto più velocemente a 24 120 chilometri all’ora. L’orbita molto eccentrica di XMM-Newton è stata scelta in modo tale che i suoi strumenti possano funzionare al di fuori delle cinture di radiazione che circondano la Terra.

L’orientamento di un satellite nello spazio è cruciale, sia per le telecomunicazioni, l’osservazione della Terra o per le missioni di astronomia. XMM-Newton si rivolge a fonti di raggi X distanti per lunghi periodi (spesso più di dieci ore) e uno dei requisiti chiave del satellite è la sua precisione e stabilità di puntamento molto elevate.

Mentre orbita attorno alla Terra nella sua orbita altamente ellittica, XMM-Newton viene sterzato per puntare il suo telescopio verso obiettivi scelti dagli astronomi. Il satellite da 3,8 tonnellate gira lentamente verso questi oggetti celesti ad una velocità di 90 gradi all’ora.

La precisione di puntamento del XMM-Newton lungo 10 metri è 0,25 arcsec su un intervallo di 10 secondi. Questo è l’equivalente di vedere un melone da una distanza di 300 chilometri, usando un telescopio portatile e vedendolo senza il minimo tremolio!

Storia

Prima della fine degli anni ’70, erano state rilevate solo quattro galassie che emettevano raggi X: la Via Lattea, l’M31 e le Nubi di Magellano. Basandosi su precedenti lavori sul campo, l’Osservatorio a raggi X dell’ESA, Exosat, è stato lanciato nel maggio 1983. È stato attivo fino all’aprile 1986, quando aveva effettuato 1780 osservazioni a raggi X.

Nel 1982 fu proposta una missione di astronomia “X-ray Multi-Mirror”. Nel 1984, un gruppo di scienziati europei ha sviluppato il piano a lungo termine “Horizon 2000” per il programma scientifico dell’ESA. L’idea era di ottenere un aumento del 50% del budget annuale della scienza per i successivi cinque anni. Al centro di questo piano c’era il concetto di quattro “Cornerstones”: missioni su larga scala i cui obiettivi scientifici sarebbero raggiungibili. La seconda pietra angolare doveva essere una missione di “Spettroscopia a raggi X ad alto rendimento” o XMM con un altro nome.

Un serio lavoro su XMM è iniziato nel 1985 con l’istituzione di un certo numero di gruppi di lavoro. La configurazione generale è stata sviluppata nel 1987, assomigliando molto a XMM come lo conosciamo oggi. Dopo l’esperienza con Exosat, che ha dimostrato il valore di un’orbita altamente eccentrica per lunghe osservazioni ininterrotte di sorgenti di raggi X, XMM doveva essere posizionato in un’orbita di 48 ore utilizzando il lanciatore Ariane 4. Il carico utile ora comprendeva solo quattro sistemi di specchi a raggi X. Tuttavia è stata aggiunta una caratteristica molto importante – il monitor ottico – uno strumento per consentire l’osservazione simultanea del campo visivo dei telescopi a raggi X nelle bande UV e visibili. Questa è stata una lezione appresa dall’operazione e dallo sfruttamento di Exosat.

L’ESA ha approvato la missione in questa forma nel giugno 1998. Un anno dopo è iniziata la selezione degli strumenti e il lungo programma di sviluppo dell’hardware. L’indagine Survey Science Center è stata selezionata dall’ESA nel 1995 per sviluppare l’elaborazione dei dati XMM.

XMM-Newton è stato lanciato alla fine del 1999.

partnership

Gli strumenti sono stati ideati e costruiti da istituti scientifici europei, e ciascuno di essi è gestito da un investigatore principale (PI), a capo di gruppi di scienziati e ingegneri di diversi paesi. Supervisionare la scienza dell’intera missione è lo scienziato del progetto XMM-Newton dell’ESA.

Ultimo aggiornamento: 4 giugno 2013

LE GALASSIE ATTIVE INDICANO LA NUOVA FISICA DELL’ESPANSIONE COSMICA

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Misurare l’espansione dell’universo

28 gennaio 2019

Investigando la storia del nostro cosmo con un ampio campione di galassie ‘attive’ distanti osservate dall’XMM-Newton dell’ESA, un gruppo di astronomi ha scoperto che potrebbe esserci di più nella prima espansione dell’Universo di quanto previsto dal modello standard di cosmologia.

Secondo lo scenario principale, il nostro universo contiene solo una piccola percentuale di materia ordinaria . Un quarto del cosmo è costituito dalla materia oscura elusiva, che possiamo sentire gravitazionalmente ma non osservare, e il resto consiste nell’energia oscura ancora più misteriosa che sta guidando l’attuale accelerazione dell’espansione dell’Universo.

Questo modello si basa su una moltitudine di dati raccolti negli ultimi due decenni, dallo sfondo cosmico a microonde, o CMB – la prima luce nella storia del cosmo, rilasciata solo 380.000 anni dopo il big bang e osservata in dettagli senza precedenti dalla missione Planck dell’ESA – a più osservazioni “locali”. Queste ultime includono esplosioni di supernova, ammassi di galassie e la distorsione gravitazionale impressa dalla materia oscura su galassie lontane e possono essere usate per tracciare l’espansione cosmica in epoche recenti della storia cosmica – negli ultimi nove miliardi di anni. 

Un nuovo studio, condotto da Guido Risaliti dell’Università di Firenze, in Italia, e da Elisabeta Lusso dell’Università di Durham, Regno Unito, fa riferimento a un altro tipo di quasar traccianti cosmici – che riempirebbe parte del divario tra queste osservazioni, misurando l’espansione del Universo fino a 12 miliardi di anni fa. 
 
I quasar sono i nuclei delle galassie in cui un buco nero supermassiccio attivo sta estraendo la materia dai suoi dintorni a velocità molto intense, risplendendo luminosamente attraverso lo spettro elettromagnetico. Quando il materiale cade sul buco nero, forma un disco vorticoso che irradia nella luce visibile e ultravioletta; questa luce, a sua volta, riscalda elettroni vicini, generando raggi X.

Buco nero supermassiccio

Tre anni fa, Guido ed Elisabeta realizzarono che una nota relazione tra l’ultravioletto e la luminosità dei raggi X dei quasar poteva essere usata per stimare la distanza da queste fonti – qualcosa che è notoriamente difficile in astronomia – e, in definitiva, per sondare la storia di espansione dell’universo.

Le fonti astronomiche le cui proprietà ci permettono di misurare le loro distanze sono chiamate “candele standard”.

La classe più notevole, conosciuta come supernova di tipo Ia, consiste nella spettacolare scomparsa delle nane bianche dopo che hanno riempito il materiale di una stella compagna, generando esplosioni di luminosità prevedibile che consente agli astronomi di individuare la distanza. Le osservazioni di queste supernove alla fine degli anni ’90 hanno rivelato l’espansione accelerata dell’universo negli ultimi miliardi di anni.

“Usare le quasar come candele standard ha un grande potenziale, dal momento che possiamo osservarle a distanze molto maggiori rispetto alle supernove di tipo Ia, e quindi usarle per esplorare epoche molto precedenti nella storia del cosmo”, spiega Elisabeta.

Con un considerevole campione di quasar a portata di mano, gli astronomi hanno ora messo in pratica i loro metodi, ei risultati sono intriganti.

XMM-Newton

Scavando nell’archivio XMM-Newton , hanno raccolto i dati dei raggi X per oltre 7000 quasar, combinandoli con le osservazioni ultraviolette del Sloan Digital Sky Survey basato a terra. Hanno anche usato un nuovo set di dati, appositamente ottenuti con XMM-Newton nel 2017 per guardare quasar molto lontani, osservandoli com’erano quando l’Universo aveva solo due miliardi di anni. Infine, completarono i dati con un piccolo numero di quasar ancora più lontani e con alcuni relativamente vicini, osservati rispettivamente con gli osservatori a raggi X Chandra e Swift della NASA.

“Un campione così ampio ci ha permesso di esaminare attentamente la relazione tra l’emissione di raggi X e ultravioletti dei quasar in dettagli minuziosi, che ha affinato notevolmente la nostra tecnica per stimare la loro distanza”, dice Guido.

Le nuove osservazioni XMM-Newton di quasar distanti sono così buone che il team ha anche identificato due gruppi diversi: il 70 percento delle sorgenti brilla luminoso nei raggi X a bassa energia, mentre il restante 30 percento emette quantità inferiori di raggi X che sono caratterizzato da più alte energie. Per ulteriori analisi, hanno mantenuto solo il precedente gruppo di fonti, in cui la relazione tra raggi X e emissione ultravioletta appare più chiara.

“È abbastanza straordinario poter discernere un tale livello di dettaglio in fonti così distanti da noi che la loro luce viaggia da più di dieci miliardi di anni prima di raggiungerci”, afferma Norbert Schartel, scienziato del progetto XMM-Newton all’ESA.

Dopo aver sfogliato i dati e portato il campione a circa 1600 quasar, gli astronomi sono rimasti con le migliori osservazioni, portando a stime robuste della distanza da queste fonti che potrebbero essere utilizzate per investigare l’espansione dell’Universo.

Supernova e dati quasar

 
“Quando uniamo il campione quasar, che copre quasi 12 miliardi di anni di storia cosmica, con il campione più locale di supernove di tipo Ia, che copre solo gli ultimi otto miliardi di anni circa, troviamo risultati simili nelle epoche sovrapposte”, dice Elisabeta.

“Tuttavia, nelle fasi precedenti che possiamo solo sondare con i quasar, troviamo una discrepanza tra l’evoluzione osservata dell’Universo e ciò che prevediamo basato sul modello cosmologico standard.”

Analizzando questo periodo di storia cosmica precedentemente scarsamente esplorato con l’aiuto dei quasar, gli astronomi hanno rivelato una possibile tensione nel modello standard della cosmologia, che potrebbe richiedere l’aggiunta di parametri aggiuntivi per riconciliare i dati con la teoria.

“Una delle possibili soluzioni sarebbe quella di invocare un’energia oscura in evoluzione, con una densità che aumenta col passare del tempo”, dice Guido.

Per inciso, questo particolare modello allevierebbe anche un’altra tensione che ha tenuto occupati ultimamente i cosmologi, riguardo alla costante di Hubble – l’attuale tasso di espansione cosmica. Questa discrepanza è stata trovata tra le stime della costante di Hubble nell’universo locale, basate su dati di supernova – e, indipendentemente, su ammassi di galassie – e quelli basati sulle osservazioni di Planck sullo sfondo di microonde cosmico nell’Universo primordiale.

“Questo modello è piuttosto interessante perché potrebbe risolvere due enigmi allo stesso tempo, ma la giuria non è ancora uscita e dovremo guardare molti più modelli in grande dettaglio prima di poter risolvere questo enigma cosmico”, aggiunge Guido.

Il team non vede l’ora di osservare ancora più quasar in futuro per perfezionare ulteriormente i loro risultati. Altri indizi verranno anche dalla missione Euclid dell’ESA , in programma per un lancio del 2022 per esplorare gli ultimi dieci miliardi di anni di espansione cosmica e indagare sulla natura dell’energia oscura.

“Questi sono tempi interessanti per indagare sulla storia del nostro Universo ed è eccitante che XMM-Newton possa contribuire guardando un’epoca cosmica che era rimasta in gran parte inesplorata finora”, conclude Norbert.

Note per gli editori

“I vincoli cosmologici del diagramma di Hubble dei quasar agli alti redshift ” di G. Risaliti & E. Lusso è pubblicato su Nature Astronomy .

Per ulteriori informazioni, si prega di contattare:

Guido Risaliti 
Università di Firenze 
INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri 
Firenze, Italia 
Email: risaliti@arcetri.inaf.it

Elisabeta Lusso 
Center for Extragalactic Astronomy 
Università di Durham, Regno Unito 
Email: elisabeta.lusso@durham.ac.uk

Norbert Schartel 
XMM-Newton Project Scientist 
Agenzia spaziale europea 
Email: norbert.schartel@sciops.esa.int

Markus Bauer







 
Responsabile della comunicazione scientifica dell’ESA








 
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