La “Mappatura dell’eco” nelle galassie lontane potrebbe misurare grandi distanze cosmiche


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Un disco di materiale caldo attorno ad un buco nero supermassiccio emette una raffica di luce visibile, che viaggia verso un anello di polvere che successivamente emette luce infrarossa. Le frecce blu mostrano la luce del disco che si muove verso la polvere e la luce di entrambi gli eventi che viaggiano verso un osservatore.

La materia che vortica intorno ai buchi neri supermassicci crea raffiche di luce che “riecheggiano” nelle vicine nuvole di polvere. Questi segnali in viaggio potrebbero servire come nuovo metro di misura cosmico.

Quando si guarda il cielo notturno, come si fa a sapere se i puntini di luce che si vedono sono luminosi e lontani, o relativamente deboli e vicini? Un modo per scoprirlo è confrontare la quantità di luce effettivamente emessa dall’oggetto con la luminosità che appare. La differenza tra la sua vera luminosità e la sua apparente luminosità rivela la distanza di un oggetto dall’osservatore.

Misurare la luminosità di un oggetto celeste è una sfida, specialmente con i buchi neri, che non emettono luce. Ma i buchi neri supermassicci che si trovano al centro della maggior parte delle galassie forniscono una scappatoia: Spesso attirano molta materia intorno a loro, formando dischi caldi che possono irradiare luce. Misurare la luminosità di un disco luminoso permetterebbe agli astronomi di misurare la distanza dal buco nero e dalla galassia in cui vive. Le misurazioni della distanza non solo aiutano gli scienziati a creare una migliore mappa tridimensionale dell’universo, ma possono anche fornire informazioni su come e quando si formano gli oggetti.

In un nuovo studio, gli astronomi hanno usato una tecnica che alcuni hanno soprannominato “mappatura dell’eco” per misurare la luminosità dei dischi del buco nero in oltre 500 galassie.

Pubblicato il mese scorso sull’Astrophysical Journal, lo studio aggiunge un supporto all’idea che questo approccio potrebbe essere usato per misurare le distanze tra la Terra e queste galassie lontane.

Il processo di mappatura dell’eco, noto anche come mappatura del riverbero, inizia quando il disco di plasma caldo (atomi che hanno perso i loro elettroni) vicino al buco nero diventa più luminoso, a volte anche rilasciando brevi flare di luce visibile (cioè a lunghezze d’onda che possono essere viste dall’occhio umano). Quella luce si allontana dal disco e alla fine si imbatte in una caratteristica comune alla maggior parte dei sistemi di buchi neri supermassicci: un’enorme nube di polvere a forma di ciambella (nota anche come toro). Insieme, il disco e il toro formano una sorta di occhio di bue, con il disco di accrescimento avvolto strettamente intorno al buco nero, seguito da anelli consecutivi di plasma e gas leggermente più freddi, e infine il toro di polvere, che costituisce l’anello più largo e più esterno dell’occhio di bue. Quando il lampo di luce del disco di accrescimento raggiunge la parete interna del toro polveroso, la luce viene assorbita, facendo sì che la polvere si riscaldi e rilasci luce infrarossa. Questo schiarimento del toro è una risposta diretta o, si potrebbe dire, un “eco” dei cambiamenti che avvengono nel disco.

La distanza tra il disco di accrescimento e l’interno del toro della polvere può essere enorme – miliardi di chilometri. Anche la luce, viaggiando a 300.000 chilometri al secondo, può richiedere mesi o anni per attraversarlo. Se gli astronomi possono osservare sia il bagliore iniziale della luce visibile nel disco di accrescimento sia il successivo irradiamento a infrarossi nel toro, possono anche misurare il tempo impiegato dalla luce per viaggiare tra queste due strutture. Poiché la luce viaggia ad una velocità standard, questa informazione fornisce agli astronomi anche la distanza tra il disco e il toro.

Gli scienziati possono quindi usare la misura della distanza per calcolare la luminosità del disco e, in teoria, la sua distanza dalla Terra.

Ecco come: La temperatura nella parte del disco più vicina al buco nero può raggiungere decine di migliaia di gradi – così alta che anche gli atomi vengono strappati via e non si possono formare particelle di polvere. Il calore del disco riscalda anche la zona circostante, come un falò in una notte fredda. Viaggiando lontano dal buco nero, la temperatura diminuisce gradualmente.

Gli astronomi sanno che la polvere si forma quando la temperatura scende a circa 2.200 gradi Fahrenheit (1.200 Celsius); più grande è il falò (o più energia irradia il disco), più lontano da esso si forma la polvere. Quindi, misurando la distanza tra il disco di accrescimento e il toro, si rivela l’energia emessa dal disco, che è direttamente proporzionale alla sua luminosità.

Poiché la luce può impiegare mesi o anni per attraversare lo spazio tra il disco e il toro, gli astronomi hanno bisogno di dati che si estendono su decenni. Il nuovo studio si basa su quasi due decenni di osservazioni in luce visibile dei dischi di accrescimento dei buchi neri, catturati da diversi telescopi terrestri. La luce infrarossa emessa dalla polvere è stata rilevata dal Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer (NEOWISE) della NASA, precedentemente chiamato WISE. La navicella sonda l’intero cielo circa una volta ogni sei mesi, fornendo agli astronomi ripetute opportunità di osservare le galassie e di cercare i segni di questi “echi” di luce. Lo studio ha utilizzato 14 rilievi del cielo di WISE/NEOWISE, raccolti tra il 2010 e il 2019. In alcune galassie, la luce ha impiegato più di 10 anni per percorrere la distanza tra il disco di accrescimento e la polvere, rendendoli gli echi più lunghi mai misurati al di fuori della Via Lattea.

Galassie Molto, Molto Lontane

L’idea di utilizzare la mappatura eco per misurare la distanza dalla Terra a galassie lontane non è nuova, ma lo studio fa passi da gigante nel dimostrarne la fattibilità. Lo studio conferma che l’eco-mappatura si svolge nello stesso modo in tutte le galassie, indipendentemente da variabili come le dimensioni di un buco nero, che possono variare in modo significativo nell’universo. Ma la tecnica non è ancora pronta.

A causa di molteplici fattori, le misure di distanza degli autori mancano di precisione. In particolare, hanno detto gli autori, hanno bisogno di capire meglio la struttura delle regioni interne della ciambella di polvere che circonda il buco nero. Tale struttura potrebbe influenzare cose come quali specifiche lunghezze d’onda della luce infrarossa la polvere emette quando la luce la raggiunge per la prima volta.

I dati WISE non coprono l’intera gamma di lunghezze d’onda dell’infrarosso e un set di dati più ampio potrebbe migliorare le misurazioni della distanza. Il Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA, il cui lancio è previsto per la metà del 2020, fornirà osservazioni mirate in diversi intervalli di lunghezze d’onda dell’infrarosso. La prossima missione SPHEREx dell’agenzia (che sta per Spectro-Fotometro per la Storia dell’Universo, Epoca di Reionizzazione e Ices Explorer) effettuerà osservazioni mirate dell’intero cielo in diverse lunghezze d’onda infrarosse e potrebbe anche contribuire a migliorare la tecnica.

“Il bello della tecnica di mappatura dell’eco è che questi buchi neri supermassicci non se ne andranno via tanto presto”, ha detto Qian Yang, ricercatore dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign e autore principale dello studio, riferendosi al fatto che i dischi dei buchi neri possono subire un flaring attivo per migliaia o addirittura milioni di anni. “Così possiamo misurare gli echi della polvere più e più volte per lo stesso sistema per migliorare la misura della distanza”.

Le misure di distanza basate sulla luminosità possono già essere effettuate con oggetti noti come “candele standard“, che hanno una luminosità nota. Un esempio è un tipo di stella esplosiva chiamata supernova di tipo Ia, che ha giocato un ruolo critico nella scoperta dell’energia oscura (il nome dato alla misteriosa forza motrice dietro l’espansione accelerata dell’universo). Le supernove di tipo Ia hanno tutte circa la stessa luminosità, quindi gli astronomi devono solo misurare la loro luminosità apparente per calcolare la loro distanza dalla Terra.

Con altre candele standard, gli astronomi possono misurare una proprietà dell’oggetto per dedurne la luminosità specifica. Questo è il caso della mappatura dell’eco, dove ogni disco di accrescimento è unico, ma la tecnica per misurare la luminosità è la stessa. Ci sono vantaggi per gli astronomi di poter usare più candele standard, come la possibilità di confrontare le misure della distanza per confermare la loro accuratezza, e ogni candela standard ha punti di forza e di debolezza.

“Misurare le distanze cosmiche è una sfida fondamentale in astronomia, quindi la possibilità di avere un asso nella manica in più è molto eccitante”, ha detto Yue Shen, anche lei ricercatrice della University of Illinois a Urbana-Champaign e co-autrice del saggio.

Lanciata nel 2009, la navicella spaziale WISE è stata messa in ibernazione nel 2011 dopo aver completato la sua missione primaria. Nel settembre 2013, la NASA ha riattivato la navicella spaziale con l’obiettivo primario di cercare oggetti vicini alla Terra, o NEO, e la missione e la navicella sono state rinominate NEOWISE.

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