C’è un fatto nuovo, un aspetto che non sapevamo, sui quasar, cuori sfolgoranti delle galassie, alimentati dalla caduta di gas su un buco nero supermassiccio. È uno studio uscito la scorsa settimana su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society a raccontarcelo. Studio che mette in discussione l’universalità di una legge che regola il funzionamento dei suddetti oggetti, scoperta una cinquantina d’anni fa.
Rappresentazione artistica di un quasar che illumina la regione centrale della galassia che lo ospita. Crediti: D. Sakkas, A. Georgakakis, A. Ruiz e M. Chira
La legge di cui parliamo mette in relazione la luce ultravioletta (Uv) e la radiazione emessa nei raggi X da parte dei quasar. Il gas che alimenta un buco nero supermassiccio è disposto in una struttura detta disco di accrescimento che, scaldandosi, produce un’intensa radiazione Uv. Questa radiazione sarebbe all’origine di un’emissione a più alta energia – quella nei raggi X, per l’appunto – che pure caratterizza i quasar. I fotoni ultravioletti emessi dal disco interagiscono infatti con le particelle energetiche di una struttura di plasma caldo detta “corona”. L’interazione con la corona dà un bel “calcio” – d’energia, s’intende – ai fotoni ultravioletti, facendoli schizzare nei raggi X, in un processo denominato effetto Compton inverso.
Essendo un’emissione all’origine dell’altra, si capisce che la quantità di luce ultravioletta e radiazione X nei quasar siano strettamente correlate. Maggiore è la radiazione ultravioletta, più intensa sarà pure quella X. La relazione X-Uv dei quasar è stata scoperta una cinquantina d’anni fa ed è di cruciale importanza per chi studia i quasar, in quanto ci racconta della geometria e delle condizioni fisiche nelle immediate vicinanze del buco nero supermassiccio.
Illustrazione che rappresenta quel che accade nelle immediate vicinanze di un buco nero supermassiccio. Il gas nel disco di accrescimento si scalda producendo radiazione ultravioletta. I fotoni ultravioletti interagiscono col plasma caldissimo della corona producendo l’emissione nei raggi X. Crediti: D. Sakkas, A. Georgakakis, A. Ruiz e M. Chira
Il nuovo studio, guidato da Maria Chira dell’Osservatorio nazionale di Atene, contesta l’universalità di questa relazione. Secondo gli autori le cose non sempre hanno funzionato così. Quando l’universo aveva all’incirca metà dell’età attuale la relazione X-Uv era piuttosto diversa da quella osservata nell’universo vicino. Questo suggerisce che i processi fisici che legano il disco di accrescimento e la corona non siano sempre stati gli stessi negli ultimi 6,5 miliardi di anni.
«Confermare una relazione non universale tra raggi X e ultravioletti con il tempo cosmico è piuttosto sorprendente e mette alla prova la nostra comprensione di come i buchi neri supermassicci crescono e emettono radiazione», dice Antonis Georgakakis, uno degli autori dello studio. «Abbiamo testato il risultato utilizzando approcci diversi, ma sembra essere persistente».
Lo studio ha fatto uso dei nuovi dati del telescopio X eRosita e di dati d’archivio del telescopio Xmm-Newton per studiare la relazione in un campione estremamente vasto di quasar. In particolare, la vasta e uniforme copertura del cielo nei raggi X da parte di eRosita si è rivelata decisiva per compiere l’analisi presentata nell’articolo.
Il cielo nei raggi X visto da eRosita. Quello cerchiato è uno dei quasar analizzati dal nuovo studio. Crediti: A. Ruiz e J. Sanders
L’universalità della relazione X-Uv è alla base di alcuni metodi che utilizzano i quasar come “candele standard” – ovvero come indicatori di distanza – per misurare la geometria dell’universo e sondare il contenuto di materia e energia oscura. Questo nuovo risultato evidenzia la necessità di cautela, in quanto l’ipotesi che l’ambiente attorno ai buchi neri sia immutabile nel tempo potrebbe dover essere rivista.
«Il progresso chiave qui è metodologico», commenta Chira. «I dati di eRosita dispongono di una copertura vasta ma relativamente superficiale: molti quasar vengono rilevati solo con pochi fotoni nei raggi X. Combinando questi dati in un robusto quadro statistico bayesiano, abbiamo potuto scoprire dei trend sottili che sarebbero altrimenti rimasti nascosti».
Quando sarà completo, il campione di dati di eRosita consentirà agli astronomi di catturare la luce di quasar più deboli e distanti. Studi futuri basati su questi dati e su quelli di nuovi telescopi X e survey multibanda consentiranno di confermare se l’evoluzione osservata rifletta un cambiamento nella fisica dei buchi neri o se invece il modo in cui i quasar del campione sono stati selezionati abbia avuto un peso sul risultato ottenuto.
Per saperne di più:
- Leggi su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society l’articolo “Revisiting the X-ray-to-UV relation of quasars in the era of all-sky surveys” di Maria Chira, Antonis Georgakakis, Angel Ruiz, Shi-Jiang Chen, Johannes Buchner, Amy L Rankine, Elias Kammoun, Catarina Aydar, Mara Salvato, Andrea Merloni e Mirko Krumpe