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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