EFFETTO COMPTON INVERSO IN AZIONE NELL’UNIVERSO GIOVANE

Fotoni dopati dal getto d’un antichissimo blazar

All'origine dei fotoni ad alta energia provenienti dal getto relativistico del blazar più distante che si conosca – a quasi 13 miliardi di anni luce da noi – c’è l’interazione fra gli elettroni del getto e i fotoni della radiazione di fondo cosmico. Lo dimostra uno studio, basato sui dati raccolti dal telescopio spaziale Chandra della Nasa, guidato da Luca Ighina, dottorando all’Inaf di Brera e all’Università dell’Insubria

     11/03/2022
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Luca Ighina, dottorando dell’Istituto nazionale di astrofisica e dell’Università dell’Insubria, primo autore dello studio sul blazar Pso J0309 pubblicato su Astronomy & Astrophysics

Si chiama Pso J0309+27 ed è un blazar. Vale a dire, una fra le macchine più efficienti che la Natura abbia mai escogitato per sparare materia ed energia nel cosmo. Scoperto nel 2020 da un team guidato da un’astrofisica italiana, Silvia Bellladitta, è il blazar più distante a oggi noto: 12.6 miliardi di anni luce da noi – o meglio, a redshift z = 6.1, come preferiscono esprimersi gli astrofisici, misurando la distanza in termini di spostamento delle lunghezze d’onda verso il rosso. Un oggetto che vale dunque la pena tenere sotto attenta osservazione. È ciò che ha fatto nei mesi di marzo e novembre 2020 un team guidato da un giovane dottorando dell’Istituto nazionale di astrofisica e dell’Università dell’Insubria, il 25enne Luca Ighina, mantenendo incollato sul lontano blazar lo sguardo del telescopio spaziale per raggi X Chandra della Nasa per oltre 35 ore – precisamente, per 128mila secondi.

In quelle 35 ore Chandra è riuscito a raccogliere dal blazar 350 fotoni. Sì, avete capito bene: appena 10 fotoni all’ora. Se paragonato alle migliaia di miliardi di fotoni che ogni secondo colpiscono ciascun centimetro quadrato di pelle esposta al Sole può sembrare pochissimo, ma i 350 fotoni intercettati da Chandra sono rarissimi ed estremamente difficili da raccogliere: fotoni ad alta energia provenienti da un oggetto dell’universo primordiale. Dell’intero raccolto, quelli che più hanno attirato l’attenzione di Ighina e colleghi sono i 27 racchiusi nell’ellisse viola del grafico riportato qui di seguito: i 27 fotoni provenienti dal “getto del blazar”. Si tratta del getto relativistico più lontano mai osservato, con un’estensione in banda X di circa 230mila anni luce.

Immagine formata dai fotoni X raccolti da Chandra nella regione attorno a Pso J0309.  Si distinguono il cuore del blazar (core) e il getto relativistico (jet). Crediti: Ighina et al. A&A, 2022

Ma l’aspetto più interessante non è la distanza record del getto da noi, né la sua estensione: è il processo fisico lo ha prodotto. Ed è proprio su questo che si concentra l’articolo pubblicato oggi su Astronomy & Astrophysics dal team guidato da Ighina.

«Mostriamo per la prima volta come meccanismi proposti negli ultimi anni per riprodurre l’emissione osservata in getti simili, ma a più basso redshift, falliscano nello spiegare le proprietà del nostro oggetto ad alto redshift», spiega il ricercatore a Media Inaf. «L’unico meccanismo in grado di descrivere fedelmente ciò che abbiamo osservato è l’interazione degli elettroni relativistici all’interno del getto con i fotoni della radiazione cosmica di fondo. Questo meccanismo è probabilmente uno dei più semplici e anche uno dei primi proposti, ma nell’universo locale sembra essere subdominante. Solo ad alto redshift diventa il principale meccanismo di emissione, quando l’universo era più compatto e quindi la radiazione cosmica di fondo più densa».

Il processo fisico di produzione del remoto getto al quale fa riferimento Ighina è il cosiddetto effetto Compton inverso: una collisione tra un elettrone ad altissima energia e un fotone a bassa energia. Interazione che finisce per emettere un fotone a energia molto elevata – come quei 27 registrati da Chandra, appunto. I fotoni di bassa energia di partenza, in questo caso, sono quelli della radiazione di fondo cosmico – la Cmb, dall’inglese Cosmic Background Radiation. Dunque la luce primordiale dell’universo, formata dai primi “fotoni viaggiatori”, quelli liberati circa 380mila anni dopo il Big Bang. Fotoni che in epoca primordiale erano fittissimi, essendo l’universo ancora molto compatto. Man mano che l’universo si è espanso, la densità di questi fotoni è calata. Ecco così spiegato il motivo che rende questo processo osservabile in un oggetto come Pso J0309, estremamente lontano nello spazio e nel tempo (ad alto redshift, dunque), dunque collocato nell’universo giovane e remoto: essendo i fotoni della Cmb molto addensati, era alta la probabilità che uno di essi estrasse in collisione con uno degli elettroni relativistici vaganti che formavano il getto del blazar. Dando così origine a un fotone “dopato”, carico al punto da riuscire a compiere una traversata lunga 12.6 miliardi di anni fino a infrangersi nel rivelatore per raggi X di Chandra.

Uno scenario – questo dell’effetto Compton inverso con i fotoni della Cmb – che già oltre vent’anni fa Fabrizio Tavecchio, uno dei coautori di quest’ultimo studio, aveva proposto per spiegare l’emissione X dai getti degli Agn, i nuclei galattici attivi, come appunto quasar e blazar. Ma che non aveva mai trovato riscontro nelle osservazioni successive di questi oggetti. E questo – ne abbiamo ora la conferma – perché gli Agn osservati non erano abbastanza lontani, e dunque non erano immersi in una Cmb sufficientemente densa. È solo oggi che, grazie a questo lontanissimo blazar e ai suoi 27 fotoni X intercettati da Chandra, si sono potute osservare le tracce di quel processo fisico. E avere così finalmente conferma della validità di quell’intuizione.

«Devo ammettere che questo risultato ha un po’ il sapore della rivincita», dice infatti Tavecchio a Media Inaf. «Il modello basato sull’emissione di Compton inverso, da noi proposto nel lontano 2000, aveva perso sostenitori negli ultimi anni. Il getto di Pso J03094 dimostra che, se non adeguata per sorgenti nell’universo vicino, l’emissione X da Compton inverso spiega brillantemente i getti dell’universo giovane e lontano».

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