Un’immagine composita (raggi X e ottico) dei telescopi Chandra e Hubble che mostra il buco nero al centro dell’ammasso di galassie RX J1532.9 3021. Credit: X-ray: NASA/CXC/Stanford/J.Hlavacek-Larrondo et al, Optical: NASA/ESA/STScI/M.Postman & CLASH team
Finalmente siamo sulla strada giusta. Dopo anni di ricerche, recenti simulazioni numeriche hanno permesso di riprodurre le caratteristiche termodinamiche e chimiche osservate nelle zone centrali degli ammassi di galassie. Il risultato a lungo atteso è stato ottenuto grazie a un nuovo dettagliato modello teorico sviluppato da un team internazionale di astrofisici, in gran parte dell’Osservatorio Astronomico di Trieste dell’INAF e guidato da Elena Rasia, ricercatrice del programma Marie Curie, presso la stessa struttura di ricerca Giuliana.
Le simulazioni al computer sono uno dei pilastri dell’astrofisica contemporanea: permettono, infatti, di mettere alla prova la nostra comprensione di come ‘funziona’ l’universo e gli oggetti celesti che lo popolano e offrono predizioni per osservazioni future. La continua interazione tra scienziati teorici e osservativi accelera la conoscenza scientifica su temi ancora oscuri. Le osservazioni, infatti, indicano ai teorici come ‘aggiustare il tiro’ per ottenere modelli coerenti con i sempre più numerosi e accurati dati osservativi. La cosmologia è probabilmente la frontiera più avanzata di queste simulazioni, che hanno l’ambizioso obiettivo di ricostruire l’evoluzione dell’universo e delle sue strutture. Le prime simulazioni seguivano l’interazione gravitazionale di poche decine di piccole porzioni di universo simulato (o particelle) e l’evoluzione dei principali parametri che ne descrivono lo stato, come la densità della materia presente, la sua temperatura, il suo moto, la sua composizione chimica. Dopo più di tre decenni, l’avanzamento tecnologico e il perfezionamento degli algoritmi hanno permesso di descrivere la formazione ed evoluzione di strutture su grande scala con oltre un miliardo di particelle, aggiungendo a quelli già presenti altri importanti aspetti teorici, come le interazioni idrodinamiche. Lo stato dell’arte di queste rappresentazioni teoriche prevede sofisticate ricette per descrivere quello che gli astrofisici chiamano il ciclo barionico. In altre parole, il processo che porta alla formazione di stelle a partire da gas freddo, la loro evoluzione e gli effetti nell’ambiente galattico (detto anche feedback) prodotti dall’esplosione di supernovae o dall’accrescimento di materia attorno ad un buco nero supermassiccio. I modelli numerici, forti di questi notevoli miglioramenti, riescono da qualche anno a riprodurre molte caratteristiche degli ammassi di galassie osservati, includendo non solo le relazioni tra quantità globali — come la massa del gas caldo, la temperatura, la dispersione della velocità delle galassie — ma anche gli andamenti dei profili esterni di densità, temperatura, pressione ed entropia. I problemi però sorgevano andando a riprodurre le proprietà termodinamiche e chimiche delle zone centrali degli ammassi: le simulazioni restituivano infatti, senza eccezioni, zone ricche di metalli (elementi chimici più pesanti di idrogeno ed elio) accompagnati sempre da un’entropia elevata. Ma non era questo quanto effettivamente si riscontra nella realtà. «Gli ammassi di galassie osservati in banda X sono divisi in due nette categorie a seconda delle caratteristiche termodinamiche delle loro zone centrali» spiega Elena Rasia. «I sistemi detti “cool core” hanno bassa temperature ed alta densità, in altre parole, hanno bassa entropia centrale, mentre gli ammassi “non-cool core” hanno alta temperatura e bassa densità, ossia hanno alta entropia centrale». Per decenni i modelli numerici hanno cercato di riprodurre, senza riuscirci, queste due classi osservate. L’obiettivo è stato da poco raggiunto con successo dal nostro gruppo di ricerca qui all’INAF di Trieste, tra cui Stefano Borgani, Giuseppe Murante, Susanna Planelles, Veronica Biffi e Gianluigi Granato, in collaborazione con il gruppo di Klaus Dolag di Monaco di Baviera».
Confronto tra i risultati teorici per i Cool Clusters, in verde, e per i Non-Cool Clusters, in rosso, e i profili ricavati dei dati della banda X ottenuti dai satelliti Chandra e XMM-Newton. L’analisi dei dati è di Pratt et al. 2010, A&A, 511, A85 ed Ettori et al. 2015, A&A, 578, A46
I ricercatori hanno presentato in un articolo sulla rivista The Astrophysical Journal Letters le nuove simulazioni, arricchite di un dettagliato modello di feedback da accrescimento su buchi neri e di un nuovo schema che tratta più accuratamente i processi idrodinamici. Queste innovazioni hanno permesso di ricostruire la distribuzione dell’energia estratta dal buco nero supermassivo nel centro dell’ammasso che compensa le perdite di energia del gas nelle regioni interne dell’ammasso, portando a una rappresentazione realistica dei parametri di temperatura, densità e metallicità nel “cuore” degli ammassi. « Questo risultato pionieristico aprirà nuove frontiere agli studi teorici delle zone centrali d’ammasso dove risiede un buco nero supermassiccio che influenza in maniera decisiva l’ambiente ad esso circostante» conclude Rasia.
Per saperne di più:
- L’articolo Cool Core Clusters from Cosmological Simulations di Elena Rasia et al. pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal Letters