UNO STUDIO SU NATURE

La misura si fa ad Occhio… di Sauron

Uno dei problemi più importanti in astronomia è quello che riguarda la misura delle distanze cosmologiche. Oggi, però, alcuni ricercatori dell’Istituto Niels Bohr hanno dimostrato che è possibile ricavare la distanza a cui si trova una galassia con una precisione elevata grazie ad un metodo che si basa sull’osservazione dei buchi neri supermassicci. I risultati di questo studio sono stati pubblicati su Nature

L’immagine mostra la regione centrale della galassia a spirale NGC 4151, detta anche “L’occhio di Sauron”.  Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/J.Wang et al.; Optical: Isaac Newton Group of Telescopes, La Palma/Jacobus Kapteyn Telescope, Radio: NSF/NRAO/VLA

La galassia attiva NGC 4151, nota anche come “L’occhio di Sauron” data la sua somiglianza con l’occhio malefico che appare nel film della saga “Il Signore degli Anelli”, è una galassia a spirale alquanto modesta. Nel suo nucleo risiede un buco nero supermassiccio ancora attivo che accresce nubi di gas a seguito di un processo che, secondo gli autori di una ricerca pubblicata su Nature, rende possibile misurare la distanza a cui si trova la galassia con molta maggiore accuratezza di quanto permetta l’analisi del redshift.

«Quando il gas cade verso il buco nero, viene riscaldato ed emette radiazione ultravioletta. Quest’ultima riscalda un anello di polvere, che orbita attorno al buco nero a grandi distanze, e questo calore fa sì che la polvere riemette successivamente radiazione infrarossa», spiega Darach Watson, professore associato del Dark Cosmology Center presso l’Istituto Niels Bohr della University of Copenhagen e co-autore dell’articolo. «Utilizzando i telescopi terrestri, siamo in grado di misurare il ritardo temporale tra la radiazione ultravioletta emessa dal buco nero e la radiazione infrarossa emessa successivamente dalla nube di polvere. Questo ritardo temporale è di circa 30 giorni e poiché conosciamo il valore della velocità della luce, possiamo calcolare la distanza fisica reale che separa il buco nero dall’anello di polvere orbitante».

Misure più accurate

Utilizzando la tecnica dell’interferometria, che permette di combinare la luce dei due telescopi di 10m dell’osservatorio Keck a Mauna Kea, nelle Hawaii, i ricercatori sono stati in grado di raggiungere una risoluzione angolare effettiva equivalente a quella di un singolo telescopio che ha uno specchio primario del diametro di 85m (la distanza tra i due telescopi). Ciò fornisce un elevato potere esplorativo 100 volte migliore di quello raggiunto dal telescopio spaziale Hubble, permettendo così di misurare l’angolo che il disco di polvere forma rispetto al piano del cielo (circa 12 milionesimi di grado).

Combinando poi la dimensione angolare del disco di polvere e la sua distanza reale dal buco nero, pari a 30 giorni luce, è possibile calcolare la distanza a cui si trova la galassia applicando semplici considerazioni geometriche. «Abbiamo trovato che la distanza risulta 62 anni luce. I calcoli precedenti basati sul redshift cadevano su un intervallo di valori compresi tra 13 e 95 anni luce, passando così da una incertezza enorme ad una determinazione alquanto accurata. Questo risultato è molto importante nell’ambito dei calcoli astronomici che riguardano le distanze cosmiche», dice Watson.

Quasi per magia

Quando il gas cade verso il buco nero, esso viene riscaldato ed emette radiazione ultravioletta. La radiazione ultravioletta riscalda la nube di polvere a forma di disco che orbita attorno al buco nero ad una certa distanza e questo fa sì che la nube di polvere emetta radiazione infrarossa. Utilizzando i telescopi terrestri, ora è possibile il ritardo temporale tra la luce emessa dal buco nero e quella emessa dal disco di polvere, che è pari a 30 giorni. Credit: Marie Dyekjær Eriksen

Quando il gas cade verso il buco nero, esso viene riscaldato ed emette radiazione ultravioletta. La radiazione ultravioletta riscalda la nube di polvere a forma di disco che orbita attorno al buco nero ad una certa distanza e questo fa sì che la nube di polvere emetta radiazione infrarossa. Utilizzando i telescopi terrestri, ora è possibile determinare il ritardo temporale tra la luce emessa dal buco nero e quella emessa dal disco di polvere, che è pari a 30 giorni. Credit: Marie Dyekjær Eriksen

Lo studio è stato condotto a seguito di una collaborazione tra Darach Watson e Sebastian Hönig della University of Southampton, l’autore principale dell’articolo. I ricercatori sono rimasti basiti dai loro risultati. «I nostri calcoli sono stati ottenuti quasi per magia. La cosa più importante quando si effettuano misure di distanze in astronomia deve essere la precisione elevata, il che implica l’accuratezza del metodo. Sapevamo che se l’incertezza veniva abbassata fino a circa il 10%, ciò sarebbe stato molto significativo nonostante non avessimo alcuna idea di come riuscirci», dice Watson.

«Inoltre, quando abbiamo capito che potevamo realizzare questa misura, sapevamo che l’elevata precisione della dimensione angolare ottenuta dall’interferometria e della separazione fisica del disco basata sul ritardo temporale erano entrambi dell’ordine del 30%. Di solito, quando si combinano due numeri come questi, l’accuratezza del rapporto è ancora peggio, per cui ci  aspettavamo una incertezza complessiva di circa il 40%. Ma ciò non è successo. Invece abbiamo trovato che l’incertezza maggiore in entrambe le misure era data dalla distribuzione della luminosità del disco di polvere. E dato che era la stessa in entrambe le misure, quando abbiamo considerato il rapporto le incertezze si sono cancellate, sono semplicemente sparite. Dopo aver fatto il primo calcolo, Hönig venne da me dicendo: Non ci crederai mai: indovina qual è la precisione! Di solito, nella scienza bisogna far fatica per ottenere qualcosa che descriva bene i dati o che funzioni in maniera appropriata. Ma ogni tanto, molto raramente, accade qualcosa di magico, è come un dono e tutto torna nel posto giusto. A noi è successo proprio questo».

I buchi neri pesano di più

Ottenere una misura accurata della distanza a cui si trova il buco nero permette di eliminare una grossa incertezza relativa alla misura della sua massa. «Quando si calcola la massa del buco nero supermassiccio che risiede nei nuclei delle galassie attive dobbiamo considerare principalmente due fattori: la velocità di rotazione e la distanza delle stelle dal buco nero centrale», continua Watson. «La velocità di rotazione può essere osservata mentre la distanza delle stelle dal buco nero può essere ora determinata in maniera più precisa utilizzando questo nuovo approccio. I nostri calcoli suggeriscono che i buchi neri supermassicci pesano il 40% in più di quanto ipotizzato in precedenza, un risultato che cambia fondamentalmente la determinazione delle masse dei buchi neri».

Infine, secondo i ricercatori queste misure più accurate della distanza potrebbero diventare il metodo più accurato per misurare persino la costante di Hubble, cioè il parametro che esprime il tasso di espansione e in ultima analisi l’età dell’Universo.

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