A caccia di buchi neri oscurati con telescopi a raggi X

“Il fascino e il mistero dei buchi neri colpisce anche i non esperti. Comprendere come questi oggetti che stanno al centro di tutte le galassie crescono e perché esistono è una domanda ancora non risposta che merita di essere investigata. La ricerca astrofisica dà grandi soddisfazioni, soprattutto quando si lavora a lungo su un problema ignoto e a un certo punto, finalmente, si trova la chiave per risolverlo!”

Il telescopio Chandra è stato lanciato nel 1999 per rivelare le emissioni di raggi X. Il suo contributo è stato indispensabile per comprendere l’origine della radiazione X di fondo, che oggi si pensa essere dovuta ai nuclei galattici attivi.

RICERCANDO ALL’ESTERO – La maggior parte dei nuclei galattici attivi (AGN) nell’universo sono oscurati, nella banda dei raggi X, da grandi quantità di gas e polveri che impediscono l’osservazione della loro emissione. Gli AGN oscurati sono difficili da osservare e le loro proprietà evolutive sono ancora poco note.

Quali sono i vantaggi dei raggi X per studiare i nuclei galattici attivi?
Gli AGN sono buchi neri supermassicci, cioè pesano milioni di miliardi di volte la massa del Sole, presenti al centro delle galassie. Rappresentano circa l’1-10% di tutti i buchi neri supermassicci e sono considerati attivi perché quando la materia, gas di solito, presente nei dintorni della galassia cade all’interno del buco nero (che accresce così la sua massa), si ha emissione di luce. Questa luce viene vista in tutto lo spettro elettromagnetico sia con telescopi ottici sia con quelli a raggi X: in particolare, a questa lunghezza d’onda l’emissione dovuta al buco nero è dominante rispetto a tutti gli altri processi, come la formazione di stelle. Con il telescopio ottico a volte c’è una combinazione di informazioni per cui è difficile dire se effettivamente lì c’è un AGN o meno. Invece, quando vediamo un oggetto brillante nei raggi X possiamo dire con certezza che lì c’è un nucleo galattico attivo.

Uno degli argomenti aperti nella ricerca sugli AGN nei raggi X riguarda una popolazione di oggetti particolarmente oscurata. L’oscuramento è un fenomeno studiato a lungo e, secondo l’ultimo modello, sembra essere dovuto a nubi di gas e polvere distribuite in maniera casuale attorno al buco nero. Se la densità del gas è molto alta, la luce emessa durante l’accrescimento può venire assorbita, sia nella parte ottica sia nei raggi X, e può rendere questi oggetti difficili da osservare. Si parla di AGN oscurati, non oscurati e molto oscurati (o Compton Thick).

In che modo è possibile studiare un AGN molto oscurato?
Bisogna andare nei raggi X che noi chiamiamo duri (o hard), cioè quelli a energie più alte, sopra i 10 keV, perché a queste energie il fotone è abbastanza energetico da riuscire a fuggire all’oscuramento.

Negli ultimi 15 anni, la ricerca astrofisica si è occupata di questi tre tipi di oggetti (non oscurati, oscurati, molto oscurati) per capire se il numero osservato per ciascuna classe fosse consistente con le predizioni dei modelli matematici. E qui arriva il centro della questione: secondo questi modelli, gli oggetti molto oscurati dovrebbero essere abbastanza numerosi, tra il 10 e il 20% di tutta la popolazione. Dalle varie indagini e analisi condotte puntando diverse regioni del cielo con differenti strumenti a raggi X, è emerso che la popolazione media di Compton Thick osservata al momento è circa il 5% di tutti gli AGN. Dove sono gli altri?

La mia ricerca è focalizzata sullo sviluppo di tecniche che permettono di massimizzare la rivelazione di queste sorgenti così rare ed elusive.
Ho sviluppato un approccio in tre fasi in modo da utilizzare il maggior numero di strumenti X a disposizione al giorno d’oggi: nella prima fase gli oggetti si cercano, nella seconda si trovano e nella terza si caratterizzano. Il tutto con tre strumenti diversi.

Di che strumenti si tratta?
Il primo si chiama Swift BAT (Burst Alert Telescope). Swift è un telescopio spaziale (come tutti i telescopi X, dato che i raggi X vengono riflessi dalla nostra atmosfera e per vederli dobbiamo andare nello spazio) ed è dotato di diversi strumenti: uno osserva nell’ultravioletto, uno nei raggi X soft (tra 0,3 e 10 keV) e uno nei raggi X hard (tra 15 e 150 keV). Quest’ultimo è BAT, ha coperto tutto il cielo nei raggi X duri e ha raccolto informazioni su circa 1000 nuclei galattici attivi brillanti; la maggior parte di questi oggetti sono vicini a noi in senso astrofisico, cioè si trovano a circa 200 megaparsec (1 parsec = 3,26 anni luce).

BAT è in grado di individuare gli oggetti che hanno caratteristiche spettrali tipiche di una galassia che ospita un buco nero almeno moderatamente oscurato, ma non è in grado di valutare il grado di oscuramento. Per ottenere questa informazione bisogna usare altri strumenti e i più famosi sono Chandra (telescopio gestito dalla NASA) e XMM-Newton (europeo).

Grazie a Chandra abbiamo condotto uno studio pilota su sette sorgenti e abbiamo visto che sono tutte almeno moderatamente oscurate e circa il 30% sono Compton Thick. Questo risultato è importante perché senza la selezione preliminare di BAT, dalle analisi spettrali si otterrebbe che circa il 40-50% degli AGN sono totalmente non oscurati, il 30% sono moderatamente oscurati e solo il 5% Compton Thick. Quindi con il nostro metodo abbiamo incrementato notevolmente l’efficacia nel selezionare sorgenti che promettono di essere oscurate.

In cosa consiste la terza fase?
Nella terza fase vogliamo caratterizzare le sorgenti Compton thick che, essendo rare, finora non hanno permesso di avere delle statistiche abbastanza significative. Per ovviare a questo problema, nel 2013 è stato lanciato un nuovo telescopio a raggi X chiamato NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) che copre un buco nello spettro elettromagnetico lasciato da Chandra, XXM-Newton e BAT, e compreso tra 3 e 79 keV. In questa regione di energia, ci sono due caratteristiche importanti degli AGN oscurati: una riga di emissione prodotta da atomi di ferro che emettono fotoni X per fluorescenza e una componente di riflessione. La riga del ferro viene anche studiata per caratterizzare lo spin del buco nero e per ottenere informazioni sulla vicinanza tra il buco nero e la materia che vi sta cadendo dentro (e quindi sulla luce emessa). Per quanto riguarda la riflessione, riguarda i fotoni emessi dal disco di accrescimento del buco nero: la maggior parte di essi viene assorbita dal gas freddo che circonda il buco nero mentre la rimanente parte viene riflessa. La riflessione produce una sorta di gobba nello spettro elettromagnetico tra 10 e 30 keV, molto evidente e tipica di oggetti molto oscurati.

Con gli strumenti a nostra disposizione fino a oggi, non era possibile caratterizzare propriamente queste due componenti. Nustar ha permesso di risolvere molti argomenti aperti in astrofisica e di migliorare le statistiche per un gran numero di oggetti.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
Il passo successivo è continuare ad ampliare la statistica, innanzitutto aumentando il numero di oggetti. Abbiamo fatto domanda per usare Chandra su altre sette sorgenti selezionate da BAT. L’idea a lungo termine è arrivare a scoprirne una ventina, in modo da avere una statistica sempre più significativa. Essendo rari, ogni singolo oggetto è interessante e studiarne uno ci aiuta a capire meglio tutta la popolazione. Una volta identificati con Chandra, gli AGN vanno caratterizzati con NuSTAR in modo da avere spettri più “belli” su cui fare la stima dei vari parametri.

Nome: Stefano Marchesi
Età: 29 anni
Nato a: Trento
Vivo a: Clemson (South Carolina,Stati Uniti)
Dottorato in: astronomia (Bologna)
Ricerca: Caratterizzare AGN Compton Thick con un approccio multi osservativo ai raggi X.
Istituto: Department of Physics and Astronomy, Clemson University (Stati Uniti)
Interessi: andare in bici, sport (praticato e da spettatore), leggere, cinema.
Di Clemson mi piace: il clima da campus universitario, la possibilità di fare attività all’aria aperta.
Di Clemson non mi piace: il clima estivo, è un posto piccolo con limitate attività culturali
Pensiero: Tra il dire e il fare c’è di mezzo “e il”. (Elio e le Storie Tese)

Leggi anche: Quanto è massiccio un buco nero supermassiccio?

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