ACCELERATORI DI ENERGIA NELLO SPAZIO EXTRAGALATTICO

Blazar estremi, l’artiglieria pesante del cosmo

La struttura e il funzionamento alla base dell’attività dei blazar “estremi”, sorgenti cosmiche ancora poco studiate, sfidano i modelli interpretativi finora proposti. Ospitiamo un editoriale sull’argomento di Elisa Prandini (Inaf e Università di Padova) e Fabrizio Tavecchio (Inaf di Brera), tra gli autori di un articolo di “perspective” pubblicato oggi su Nature Astronomy

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Un blazar è un quasar il cui getto è orientato direttamente verso noi che lo osserviamo (cliccare per ingrandire). Crediti: Gsfc/Nasa

A diversi miliardi di anni luce dalla nostra galassia, i blazar estremi accelerano senza sosta particelle a energie elevatissime. Cosa sappiamo di queste fonti estreme di radiazione? Un team di dieci ricercatori (fra i quali chi scrive) provenienti da Francia, Germania e Italia – guidati da Jonathan Biteau dell’Université Paris-Saclay ed Elisa Prandini dell’Inaf e dell’Università di Padova – si è posto questa domanda e ha pubblicato i risultati della disamina sul numero odierno di Nature Astronomy.

I blazar sono, sotto diversi punti di vista, tra gli oggetti più affascinanti dell’universo. Il motore della loro attività è costituito da un buco nero di enorme massa, miliardi di volte quella del Sole, che risiede al centro di antiche e distanti galassie e accresce la materia circostante. Mentre nella maggioranza dei nuclei galattici attivi la materia incautamente vicina al buco nero viene inghiottita completamente, in alcune sorgenti peculiari parte del materiale viene incanalato dall’azione dell’intenso campo magnetico, sfugge all’enorme attrazione gravitazionale e viene espulso a velocità prossime a quella della luce. Agli astrofisici, il plasma che fuoriesce dal nucleo della galassia ospite appare come un flusso molto ben collimato, denominato getto, chiaramente identificabile quando viene visto di taglio (in questo caso parliamo di radiogalassie). I blazar rappresentano i nuclei galattici attivi con getto nei quali quest’ultimo punta quasi esattamente verso la Terra (vedi immagine in apertura). In queste condizioni la luminosità della radiazione prodotta dal plasma in moto relativistico appare fortemente amplificata e domina l’intera emissione osservata da questi oggetti. Una piccola ma interessantissima frazione – meno dell’uno per cento – di blazar presenta un’emissione peculiarmente intensa alle energie più alte dello spettro elettromagnetico, con un massimo nei raggi X e nei raggi gamma di energia elevatissima (fino ai TeV): sono i cosiddetti blazar estremi, oggetto dello studio in questione.

Elisa Prandini (Inaf e Università di Padova) e Fabrizio Tavecchio (Inaf Brera), coautori della review pubblicata su Nature Astronomy

Riconosciuti come una sottoclasse specifica solo recentemente, il numero dei blazar estremi noti è ancora piuttosto limitato. Oltre a presentare il primo censimento dei blazar estremi osservati nella banda dei raggi gamma (la radiazione elettromagnetica più energetica), il nostro team ha analizzato le loro principali proprietà osservative, deducendo un quadro piuttosto complesso. Alcuni oggetti sembrano infatti rientrare nel modello teorico prevalente per tutti i blazar, secondo il quale gli elettroni ultrarelativistici, ovvero accelerati a velocità prossime a quella della luce, sono i principali responsabili della radiazione osservata nelle diverse bande – dalle onde radio ai raggi gamma. Per i blazar estremi più energetici, d’altra parte, anche i protoni potrebbero giocare un ruolo fondamentale nel produrre un’emissione così eccezionale. In tal caso, i blazar estremi potrebbero essere i responsabili di parte dei protoni più energetici osservati dallo spazio (componente maggioritaria dei raggi cosmici), la cui origine costituisce uno degli enigmi insoluti della fisica astro-particellare moderna. In ogni caso, quali siano i meccanismi capaci di fornire agli elettroni e ai protoni l’energia richiesta per produrre raggi gamma così energetici rimane un problema irrisolto e una sfida per i modelli teorici di accelerazione ed emissione di cui attualmente disponiamo. La soluzione di questi problemi probabilmente darà un contributo significativo alla comprensione dei complessi fenomeni fisici che avvengono nei getti e che coinvolgono particelle energetiche, campi magnetici e plasma.

Un aspetto molto eccitante dei blazar estremi riguarda la possibilità di utilizzare il loro intenso fascio di raggi gamma di alta energia per studiare aspetti di cosmologia ed esplorare fenomeni fisici previsti da estensioni del modello standard delle interazioni fondamentali. Raggi gamma di energia elevata che propagano nello spazio hanno una certa probabilità di interagire con radiazione di più bassa frequenza (ottico-infrarosso) e scomparire, formando una coppia elettrone-positrone. Questo effetto fa sì che, osservando l’universo con raggi gamma di altissima energia, ci sia un “orizzonte” naturale oltre il quale l’assorbimento limita l’osservazione, un po’ come la visuale è limitata durante una giornata di intensa nebbia. L’orizzonte potrebbe venir modificato da effetti non inclusi nel quadro teorico attuale ma previsti da alcune teorie che cercano di estenderlo. In particolare, l’esistenza di particelle come le axion-like particles o la violazione delle trasformazioni della teoria della relatività potrebbero portare ad una riduzione della probabilità di interazione tra raggi gamma e radiazione di bassa energia, e quindi a un orizzonte più ampio di quello previsto. Lo studio delle proprietà dell’emissione gamma dei blazar estremi permette di esaminare in dettaglio le interazioni a cui sono sottoposti i raggi gamma nel loro cammino verso la Terra e di testare in modo stringente queste idee.

Molte delle domande e dei problemi sottolineati nell’articolo evidenziano, oltre ad uno sforzo teorico più intenso, la necessità di osservazioni più dettagliate e precise. Un avanzamento enorme delle nostre conoscenze a riguardo sarà fornito da telescopi di prossima generazione, in particolare dal Cherenkov Telescope Array, con i suoi due siti attualmente in costruzione a La Palma (nelle Isole Canarie) e nel Paranal (in Cile).

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