Scienzapertutti

4. Le sorgenti extragalattiche

percorso di Elisabetta Bissaldi, Francesco de Palma, Leonardo Di Venere e Fabio Gargano

 

Oltre alla Via Lattea, nell’Universo sono presenti altre centinaia di miliardi di galassie, alcune più grandi, altre più piccole, alcune più “vecchie” e altre più “giovani”. Un particolare tipo di galassie ha la parte centrale, il cosiddetto nucleo galattico, molto brillante ed emette una enorme quantità di energia sotto forma di radiazione gamma. In questo caso si dice che queste zone centrali siano “attive”, da cui il nome “Nuclei Galattici Attivi”, o dall’inglese Active Galactic Nuclei (AGN). Al centro del nucleo galattico è infatti presente un buco nero “supermassiccio”, che mentre “inghiotte” al suo interno una gran quantità di massa, a sua volta emette dei getti di materia a velocità elevatissime, prossime a quelle della luce. Fermi-LAT è quindi in grado di misurare i segnali gamma provenienti dagli AGN. Non solo, gli AGN rappresentano per Fermi le sorgenti più comuni e in 12 anni LAT ha potuto classificarne oltre 3000. Gli AGN possono essere classificati a seconda del tipo di segnale che viene misurato, ad esempio a seconda che presentino una forte emissione di onde radio o che invece siano relativamente quiete sotto questo punto di vista. Per una ulteriore classificazione va inoltre valutato l’angolo di osservazione dell’AGN, come mostrato nel grafico sottostante. Ad esempio, se osserviamo un AGN orientato in modo da puntare con il suo getto esattamente verso la Terra, lo classifichiamo come blazar, se invece lo osserviamo con un piccolo angolo lo classifichiamo come Radio Loud Quasar o come Broad Line Radio Galaxy, secondo le caratteristiche dell’emissione radio.

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Fig.1 Schema unificato dell'emissione di un AGN

Ref. Urry & Padovani 1995


Nonostante siano oggetti di dimensioni galattiche, gli AGN hanno una nota variabilità non periodica, ovvero hanno periodi della durata di giorni o mesi in cui il loro flusso aumenta notevolmente. Durante queste fasi “brillanti”, LAT misura quindi molta più radiazione gamma proveniente da queste sorgenti. Tali eventi vengono definiti flares. Nell’immagine sottostante, le due mappe mostrano come il blazar 3C 454.3 passi dall’essere una sorgente brillante quanto la Pulsar Vela nei dati di Fermi, a scomparire quasi completamente nell’arco di pochi giorni. Non è ancora del tutto chiaro quale sia il motivo dell’aumento di flusso in grado di causare i flare gamma: potrebbe trattarsi di numerose esplosioni di Supernova, o di fluttuazioni nel disco di accrescimento attorno al buco nero centrale, o da modifiche transitorie dello spazio-tempo (effetto chiamato micro-lensing).

Di seguito sono elencati alcuni degli AGN più importanti osservati dal LAT:

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Fig.2 La galassia M82

Ref. https://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/brightest-blazar.html


M82 - Detta anche “Galassia Sigaro”, M82 è una Galassia attiva nella costellazione dell'Orsa Maggiore e si trova a circa 12 milioni di anni luce dalla Terra. M82 rappresenta un ottimo esempio di «galassia starburst», dato che al suo interno si formano superammassi stellari.

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Fig.3 Centaurus A

Ref. https://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/gamma-ray-census.html


Centaurus A - La gigantesca galassia ellittica NGC 5128, che si trova a 12 milioni di anni luce di distanza dalla Terra nella costellazione meridionale del Centauro, rappresenta una delle galassie attive più vicine a noi. Al suo centro, essa ospita una sorgente radio molto brillante, denominata Cen A. Gran parte dell'emissione radio proviene da lobi di gas che si estendono per milioni di anni luce e che sono espulsi dal buco nero supermassiccio al centro della galassia. Il LAT rileva i raggi gamma ad alta energia da una regione estesa attorno alla galassia che corrisponde ai lobi radio-emettitori. L'emissione radio è prodotta da particelle in rapido movimento. Quando un fotone di energia inferiore si scontra con una di queste particelle, il fotone riceve una “spinta” o boost che aumenta la sua energia fino alla banda gamma.

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Fig.4 Immagine artistica dell'emissione di fotoni e neutrini da un blazar nella direzione della Terra

Ref. https://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/gamma-ray-census.html


Quasar 3C 279 - Si tratta di un quasar che mostra una variabilità nella banda ottica estremamente pronunciata ed è ben noto nella comunità astronomica per le sue variazioni anche in banda radio, X e gamma. È stato osservato che il quasar ha subito un periodo di estrema attività dal 1987 al 1991. Attualmente rappresenta una delle fonti più luminose e più variabili nel cielo gamma monitorato da LAT. Una piccola curiosità: è stato anche usato come “sorgente di calibrazione” per le osservazioni del telescopio Event Horizon del buco nero supermassiccio M87*, che ha permesso di produrre l’ormai celebre prima immagine di un buco nero.

icona interattivoEsercizio interattivo

Nell’esercizio proposto a questo link, potrete cimentarvi nell’analizzare i dati di LAT raccolti nei primi 6 mesi di osservazione, da agosto 2008 a marzo 2009. Tramite l’uso dei fogli di lavoro (notebook) di Google Colab potrete creare sia delle mappe di una porzione del cielo attorno a 3C 279, che le sue curve di luce. Per curva di luce si intende il numero di fotoni rivelati da uno strumento in funzione del tempo, in questo caso suddividendo l’osservazione in intervalli temporali di 1 giorno. Questa analisi viene fatta considerando prima una porzione di 10 gradi attorno alla sorgente, e in seguito solo di 1 grado, in modo da verificare la riduzione del segnale dovuto ad altre sorgenti non in esame. Nell’immagine sottostante si vede un esempio di quello che dovreste ottenere quando dai conteggi si passa a calcolare il flusso, tenendo quindi conto delle caratteristiche del tipo di osservazione e di quelle dello strumento stesso. Dal grafico appare immediatamente evidente la variabilità del flusso del quasar, che risulta molto brillante tra dicembre 2008 e gennaio 2009.

grafico bnRef. https://fermi.gsfc.nasa.gov/ssc/data/analysis/scitools/aperture_photometry.html
I dettagli dell'analisi sono indicati passo passo nel Google Colab.

 

 


TXS 0506 + 056 - Si tratta di un blazar ad altissima energia con un getto relativistico che punta direttamente verso la Terra. Si trova ad una distanza di poco meno di 6 miliardi di anni luce dalla Terra e la sua posizione approssimativa nel cielo è nei pressi della costellazione di Orione. Fu scoperto come sorgente radio nel 1983 e da allora è stato osservato su tutto lo spettro elettromagnetico. TXS 0506+056 è diventato un blazar molto famoso ultimamente, in quanto rappresenta la prima fonte nota di questo link (particelle neutre poco interagenti e con una massa molto piccola) astrofisici ad alta energia. Nel Settembre 2017, il rivelatore di neutrini IceCube, che si trova in Antartide, ha infatti misurato un evento, denominato IceCube-170922A, proveniente dalla direzione di questo AGN. Tale osservazione rappresenta un ottimo esempio di astronomia “multi-messaggera”, nella quale fotoni e neutrini sono osservati provenire in contemporanea da una stessa sorgente astrofisica. Le uniche fonti astronomiche precedentemente osservate dai rivelatori di neutrini erano infatti il Sole e la celebre Supernova esplosa nel 1987, chiamata SN1987A, che sono state studiate decenni prima e con energie dei neutrini molto più basse.

icecubeRef.https://icecube.wisc.edu/news/view/586

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