Un quasar usato come lente gravitazionale

Questa immagine mostra un quasar che è stato reso doppio per il fenomeno di lente gravitazionale da parte di una galassia posta tra la Terra e il quasar e che può essere vista come la macchia confusa di forma sferica comprese tra i due oggetti brillanti del quasar. Le osservazioni di una di queste immagini mostra una variazione in colore nel corso del tempo. Questa viene prodotta dalle stelle all’interno della galassia che funge da lente che passano attraverso il cammino di luce che proviene dal quasar, e che rende più intensa la luce che proviene da diversi parti del disco di accrescimento del quasar a causa del loro movimento. Questo ha permesso ad un gruppo di ricercatori di ricostruire il profilo dei colori e la temperatura del disco di accrescimento con elevata precisione. Il livello di dettaglio raggiungo è equivalente a quello di singoli grani di sabbia sulla superficie della Luna per osservatori da Terra. Image credit: NASA, ESA, J.A. Muñoz (University of Valencia)

Un team di ricercatori utilizzando l’Hubble Space Telescope della NASA/ESA ha osservato un disco di accrescimento di un quasar, un disco luminoso incandescente di materia che si sta lentamente risucchiando nel buco nero centrale della sua galassia. Il loro studio si avvale di una tecnica innovativa che sfrutta la lente gravitazionale per dare una spinta enorme alla potenza del telescopio. L’incredibile precisione del metodo ha permesso agli astronomi di misurare in modo diretto le dimensioni del disco di accrescimento ed avere una mappa di temperatura nelle diverse parti di esso.

Un team internazionale di astronomi ha usato una nuova tecnica per studiare il disco luminoso di materia che circonda da lontano il buco nero. Utilizzando l’Hubble Space Telescope della NASA/ESA, in combinazione con l’effetto di lente gravitazionale delle stelle in una galassia distante interposta tra il quasar e noi, il team ha misurato le dimensioni del disco di accrescimento e studiato i colori (e di qui la temperatura) di differenti parti di disco. Le osservazioni mostrano un livello di precisione equivalente alle macchie di singoli granelli di sabbia sulla superficie della Luna.

Mentre i buchi neri appaiono invisibili e la loro presenza si può rilevare grazie alle interazioni gravitazionali del gas che li circonda e dalle curve di luce della galassia, le forze che essi scatenano producono alcuni dei fenomeni più luminosi nell’universo. Un quasar è una galassia lontanissima con un nucleo galattico attivo molto piccolo e potente, appena visibile a causa dell’enorme distanza dalla Terra. Il motore centrale di un quasar è molto probabilmente un buco nero supermassiccio situato nel nucleo della galassia. Attorno ad esso vi è un disco di accresciemnto di gas e di stelle in rapida rotazione attorno ad un asse centrale; dal disco, la materia cade continuamente sul buco nero supermassiccio producendo della radiazione con una potenza enorme. Basterebbe che il buco nero accrescesse ogni anno una massa di poco superiore a quella del Sole per spiegare la luminosità che osserviamo.

Questo meccanismo di caduta sul buco nero spiega anche perchè i quasi fossero più comuni nell’Universo primitivo, perchè non vi sia più produzione di energia quando il buco nero supermassiccio ha consumato tutto il gas, le polveri e le stelle attorno ad esso. Quindi, è possibile che la maggior parte delle galassie, compresa la nostra, siano passate attraverso una fase di quasar e che siano ora quiescenti per mancanza di rifornimenti di materia del buco nero.

Dato che i quasar sono a distanze enormi, intorno a 13 miliardi di anni luce, la radiazione che noi vediamo provenire da essi è stata emessa miliardi di anni fa e quindi questi oggetti sono interessanti perchè permettono di capire com’erano le galassie nei primi miliardi di vita dell’Universo. Per questo motivo spesso si dice che i quasar possono rappresentare “l’infanzia delle galassie”. Al momento non è ancora chiaro se tutte le galassie hanno attraversato, nel corso della loro vita, una fase di questo tipo o se, invece, si tratta di oggetti davvero peculiari (Fonte: pd.astro.it).

“Un disco di accrescimento di un quasar ha una dimensione di circa un paio di giorni-luce, ovvero circa 100 miliardi di chilometri, ma i quasar si trovano a miliardi di anni luce di distanza. Questo significa che la loro dimensione apparente, quando vengono osservati da Terra, è così piccola che noi avremo mai un telescopio così potente da osservare in modo diretto la loro struttura” ha affermato Josè Muñoz, il primo autore della pubblicazione.

Finora, la dimensione apparente dei quasar era tale che la maggior parte delle nostre conoscenze sulla loro struttura interna era basata su estrapolazioni teoriche, non su osservazioni dirette.

Un diagramma che dimostra il Principio della lente gravitazionale. Nel diagramma superiore vi è un oggetto distante (a sinistra, il puntino in giallo), la galassia che funge da lente gravitazionale (Lens Galaxy) e la Terra. I tre oggetti sono perfettamente allineati.  Inquesto caso, la lente galattica forma un anello come immagine della stella lontana, anello conosciuto come l’anello di Einstein. Nel diagramma sottostante, l’oggetto distante, la lente gravitazionale galattica e la Terra non sono perfettamente allineati. In questo caso la galassia che funge da lente forma immagini multiple dell’oggetto distante.  Disponibile su: http://www.racine.ra.it/planet/testi/Dis/98-14b.htm

Nella Relatività Generale la presenza di materia (densità di energia) può curvare lo spazio-tempo, e il risultato è che il cammino di un raggio di luce viene deflesso. Questo processo è chiamato gravitational lensing, o lensing gravitazionale, e in molti casi può essere descritto in modo analogo alla deflessione di un raggio di luce in ottica da parte delle lenti

Nel 1937 Albert Einstein, studiando le conseguenze dell’incurvamento dei raggi di luce prodotto dalla gravità, arrivò ad ipotizzare che se la luce di una stella lontana, durante il suo viaggio di avvicinamento alla Terra, si fosse trovata a passare nelle vicinanze di una stella massiccia molto più vicina a noi, la luce di questa stella lontana avrebbe potuto subire una deviazione causata dalla curvatura dello spazio provocata dalla stella vicina, analogamente a quello che succede alla luce delle stelle che si trovano in prossimità del bordo del disco solare.

In condizioni particolari di allineamento, la luce della stella lontana avrebbe potuto subire una scissione in più parti, dando origine a immagini multiple, o triple o quadruple.

Il 29 marzo 1980 si è osservato il primo fenomeno di lente gravitazionale: due quasar oltre che ad essere molto vicini (separati solo da sei secondi d’arco), erano anche identici con la stessa luminosità e gli stessi spettri con righe identiche di emissione e di assorbimento caratterizzate dallo stesso spostamento verso il rosso. In realtà, il quasar era solo uno e la sua immagine era sdoppiata dalla curvatura dello spazio indotta da un oggetto, la lente, che si trovava lungo la retta che congiunge quasar e Terra. La candidata al ruolo di lente era una galassia ellittica molto debole.

Successivamente, vennero scoperto il primo quasar triplo, i primi quasar quadrupli (chiamati croci di Einstein) e nel 1986 fu osservato il primo Anello di Einstein, dove la luce proveniente da un quasar lontano, oltre ad essere sdoppiata subisce una particolare deflessione che la porta ad assumere una configurazione sferica ad anello.

Il team di ricercatori ha quindi utilizzato un metodo innovativo per studiare il quasar utilizzando le stelle di una galassia intermedia che entra come fosse un microscopio a scansionare le caratteristiche del disco di accrescimento che sarebbero di gran lunga troppo piccole per poter essere osservate. Dato che le stelle della galassia intermedia si muovono attraverso la luce che proviene dal quasar che si trova dietro di esse, gli effetti gravitazionali di queste stelle amplificano la luce che proviene da diverse parti del quasar, dando informazioni dettagliate sul colore e quindi sulla temperatura e sulla sua posizione.

Il team ha osservato un gruppo di quasar lontani che hanno subito il fenomeno della lente gravitazionale a causa dell’allineamento con altre galassie che si trovavano frapposte fra i quasar e la Terra, producendo vari immagini dei quasar.

I ricercatori hanno messo in evidenza differenze di colore tra le immagini e cambiamenti di colore nel corso del tempo. In parte queste differenze di colore sono causate dalle proprietà della polvere nella galassia che si frappone fra l’osservatore e il quasar, e la luce che proviene da ciascuna di queste immagini di lente gravitazionale seguono un differente cammino attraverso la galassia, tanto che i vari colori racchiudono informazioni sul materiale all’interno della galassia stessa. Misurare l’enstensione della polvere e il modo in cui questa polvere entro la galassia blocca la luce (nota come la legge di estinzione, o Extintion Law) a distanze così grandi è di per sé un risultato importante.

Questo diagramma mostra come Hubble sia in grado di osservare un quasar, un disco di accrescimento di materia attorno ad un buco nero molto lontano, anche se il buco nero si trova ad una enorme distanza da poter essere osservato.
Il diagramma mostra tre differenti regioni: sulla sinistra, il disco di accrescimento del quasar, che è più blu nel centro e più arrossato nel bordo; nella regione centrale una macchia nella galassia intermedia che è la luce del quasar che passa attraverso la galassia stessa e nella regione di destra, invece, Hubble in orbita intorno alla Terra (le dimensioni non sono rispettate). La gravità da una stelle nella galassia intermedia tra la Terra e il quasar, mentre transita attraverso il raggio di luce che proviene dal quasar lontano, viene a deflettere uno ad uno questi raggi di colore differente verso l’Hubble Space Telescope. I colori osservati da Hubble di conseguenza cambiano nel tempo mentre la stella fa una sorta di scansione della luce del disco di accrescimento del quasar. Questo permette ai ricercatori di osservare direttamente il colore, la temperatura e le dimensioni del disco con una precisione senza precedenti.
La precisione di queste osservazioni è equivalente ad osservare i singoli granelli di sabbia sulla superficie della Luna. Credit NASA ed ESA. Disponibile su: http://www.spacetelescope.org/static/archives/images/screen/heic1116b.jpg

Per uno dei quasar studiati, però, vi sono chiari segni che le stelle nella galassia intermedia stavano transitando attraverso il cammino di luce del quasar. Così come l’effetto gravitazionale dovuto all’intervento della galassia può curvare e amplificare la luce del quasar, così le stelle all’interno della galassia che passano attraverso il percorso di luce del quasar possono curvare e amplificare la luce proveniente da diverse parti del disco di accrescimento.

Registrando le variazioni di colore, il team di ricercatori è stato in grado di ricostruire il profilo di colore sul disco di accrescimento. Questo è un risultato importante perchè la temperatura di un disco di accrescimento aumenta tanto più esso è vicino al buco nero e i colori emessi dalla materia caldissima tendono tanto più al blu tanto più aumenta la temperatura. Questo ha permesso al gruppo di ricercatori di misurare il diametro del disco di materia calda e creare una sorta di plot o mappa di come varia il calore al variare dalla distanza dal centro.

I ricercatori hanno scoperto, infine, che il disco è tra i quattro e gli undici giorni luce (ossia 1-300 chilometri) di grandezza. Mentre questa misurazione mostra grandi incertezze, essa è comunque ancora una misura molto accurata per un piccolo oggetto a così grandi distanze, e in sè il metodo ha un grande potenziale per misure di maggiore precisione nel futuro.

“Questo risultato è molto rilevante perchè ora siamo in grado di ottenere dati osservativi sulla struttura di questi sistemi, anzichè basarci sulla sola teoria” ha affermato Muñoz. “Le proprietà fisiche dei quasar non sono ancora ben comprese. Questa nuova capacità di ottenere misure osservative e quindi di aprire a una nuova finestra permetterà di capire la natura di questi oggetti”.

Hubble Space Telescope in orbita. Credit ESA. Disponibile su: http://www.spacetelescope.org/static/archives/images/screen/hubble_in_orbit1.jpg

L’Hubble Space Telescope è un progetto internazionale di cooperazione tra l’ESA e la NASA. Lo studio intitolato: “A study of gravitational lens chromaticity with the Hubble Space Telescope”, sarà pubblicato nel numero del primo dicembre sull’ Astrophysical Journal. Il team internazionale è composto da: J. A. Muñoz (University of Valencia, Spagna), E. Mediavilla (Instituto de Astrofísica de Canarias, Spagna), C. S. Kochanek (Ohio State University, USA), E. E. Falco (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA) e A. M. Mosquera (University of Valencia and Ohio State University).

Fonte Hubble-SpaceTelescope: http://www.spacetelescope.org/news/heic1116/
Quasar – Dipartimento di Astronomia dell’Università di Padova: http://www.pd.astro.it/MOSTRA/NEW/A5021QSO.HTM
Hubble Site-ESA Science and Technology: http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=31

Il video del disco disco di accrescimento di un quasar con l’utilizzo di una lente gravitazionale: http://www.spacetelescope.org/videos/heic1116a/

Sabrina

~ di Sabrina su 23 novembre 2011.

Una Risposta to “Un quasar usato come lente gravitazionale”

  1. Bellissimo e interessantissimo articolo, incredibili i risultati ottenuti grazie agli effetti previsti dalla RG !!!

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