L’hit parade delle sorgenti gamma

Ogni tre ore il telescopio spaziale Fermi della NASA osserva l’intero cielo nelle lunghezze d’onda dei raggi gamma, fornendo un’immagine delle sorgenti più energetiche dell’Universo. Ogni anno gli scienziati rianalizzano i dati, applicando metodi sempre più moderni e accurati per lo studio delle sorgenti già conosciute. Inoltre, vengono continuamente evidenziati fenomeni transienti come i lampi di raggi gamma dell’Universo più antico e i brillamenti solari.

All’inizio del 2011 il gruppo di scienziati afferenti al progetto Fermi ha presentato il secondo catalogo di sorgenti identificate dal LAT (Large Area Telescope) in cui sono presenti ben 1873 oggetti che risplendono della forma più energetica della luce. Il catalogo, come una ricetta culinaria, potrebbe essere diviso in due principali ingredienti: galassie attive e … puro mistero. A questi si aggiungono un po’ di pulsar, qualche resto di supernova, e una spruzzatina di altri oggetti come ammassi globulari e galassie simili alle nostra.

sorgenti gamma
Le sorgenti gamma individuate da Fermi. IL 31% rimane ancora avvolto nel mistero.

In questo calderone di informazioni fondamentali, gli astronomi sperano di trovare nuovi tipi di sorgenti a raggi gamma tra gli oggetti che non mostrano segni nelle altre lunghezze d’onda e che assommano a circa un terzo del catalogo.

Il gruppo del Fermi ha voluto estrarre I “top ten”, selezionati per interesse e numero di studi dedicati, dall’enorme insieme di oggetti, cinque nella nostra galassia e cinque al di fuori di essa.

il cielo gamma
Il cielo “gamma” osservato dal LAT di Fermi. Con il cerchietto bianco sono segnalati i “top ten” descritti nell’articolo.

1. Nella nostra galassia

La nebulosa del Granchio

La famosa nebulosa, nella costellazione del Toro, è ciò che rimane di un’esplosione di una stella massiccia la cui luce giunse sulla Terra nel 1054. Essa si trova a 6500 anni luce da noi ed è sicuramente stata uno degli oggetti più studiati del cielo.  Nel cuore di un ammasso di gas in espansione si trova ciò che resta della stella, una stella di neutroni superdensa, nota anche come pulsar, che ruota su se stessa trenta volte al secondo.

nebulosa del granchio
A sinistra la nebulosa del Granchio osservata nei raggi X. Si vede benissimo il vortice di materia attorno alla pulsar e i getti in senso perpendicolare. A destra una classica immagine nel visibile e una nei raggi gamma.

Per decenni è stata considerata come sorgente di raggi X estremamente stabile, ma oggi le cose sono drasticamente e inspiegabilmente cambiate, in quanto sono state osservate variazioni del tutto inattese. A partire dal 2008 la sorgente si è affievolita del 7% nelle alte energie, una decrescita facilmente collegabile all’ambiente circostante la pulsar. Dal 2007 si sono anche individuati “flare” di raggi gamma con energie centinaia di volte più alte delle variazioni riscontrate nei raggi X. Nell’aprile di quest’anno sono stati rilevati due super-flare, tra le emissioni più energetiche mai osservate nell’Universo. Per poterli spiegare, gli scienziati ipotizzano che gli elettroni vicini alla pulsar devono essere stati accelerati fino a energie diecimila miliardi di volte superiori a quella della luce visibile e ben oltre ciò che si riesce a ottenere al LHC del CERN di Ginevra. Un laboratorio fantastico… peccato sia così lontano.

W44

W44 è un altro residuo di supernova scoperto dall’osservatorio Fermi. Pensato essere un fenomeno vecchio di almeno 20000 anni, W44 si trova a circa 9800 anni luce nella costellazione dell’Aquila.  Le osservazioni non solo hanno individuato questo residuo di esplosione, ma hanno scoperto raggi gamma provenire dalle zona in cui l’onda di shock che si espande interagisce con nuvole di gas freddo e denso. Queste osservazioni sono fondamentali per capire uno dei più intriganti problemi dell’astrofisica: l’origine dei raggi cosmici. Essi sono composti da particelle, soprattutto protoni, che si muovono attraverso lo spazio a velocità prossime a quelle della luce. I campi magnetici le deflettono durante l’attraversamento della galassia, rendendo impossibile capire la loro vera provenienza. Gli scienziati non possono quindi essere certi della loro origine, ma pensano che i resti delle supernove siano il posto migliore.

W44
W 44 osservata da Fermi

 

Nel 1949 Enrico Fermi ipotizzò che i raggi cosmici più energetici fossero accelerati dai campi magnetici delle nubi interstellari. Nei decenni successivi si pensò che il miglior luogo di origine potessero essere i campi magnetici formati dalle onde di shock in espansione delle supernove. Le osservazioni del LAT sia per W44 che per altre sorgenti indicano che le emissioni a raggi gamma provengono da protoni accelerati nell’impatto con atomi di gas. In qualche modo Fermi contraddice Fermi…

V407 Cygni

V407 è una stella binaria simbiotica, composta cioè da una nana bianca e da una gigante rossa con un diametro di circa 500 volte quello del Sole.  Il sistema, che si trova a circa 9000 anni luce dalla Terra, nella costellazione del Cigno, produce “flare” occasionali quando il gas della gigante rossa si accumula sulla superficie della nana bianca fino a esplodere. L’evento è noto come nova.  Quando l’ultima eruzione avvenne nel marzo 2010, il LAT rivelò l’emissione di raggi gamma, non prevista dalle correnti teorie sulle nove. Che cosa li può produrre in un evento non così “energetico” almeno in teoria?

V407 Cygni
La nova del Cigno apparsa nei raggi gamma e rilevata da Fermi

Pulsar PSR J0101-6422

Le pulsar rappresentano circa il 6% dell’intero catalogo. Qualche volte il LAT rivela impulsi di raggi gamma direttamente, ma altre volte essi sono scoperti nel radio a seguito dell’indicazione di una debole sorgente individuata dal LAT.

spettro elettromagnetico
Lo spettro elettromagnetico. All’estrema sinistra le lunghezze d’onda più lunghe (onde radio) e a destra quelle più corte ed energetiche (raggi gamma).

La PSR J0101-6422 si trova nella costellazione meridionale del Tucano.  Essa è un perfetto esempio di collaborazione tra il gruppo di Fermi e i radio astronomi, due classi di scienziati che lavorano ai due estremi delle lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico. Fermi notò per la prima volta l’oggetto indicandolo come sorgente debole non identificata. A causa della distribuzione peculiare delle emissioni, gli astronomi australiani del radio telescopio Parkes pensarono a una pulsar e la osservarono. Furono individuati radio segnali da ascrivere a una pulsar che ruotava 400 volte al secondo, esattamente nella posizione indicata da Fermi. Successivamente, il LAT riuscì a stabilire che, con la stessa incredibile frequenza dei segnali radio, si notavano anche fasci di raggi gamma. Tu dai qualcosa a me e io do qualcosa a te: questa è vera collaborazione scientifica!

Lo spettro elettromagnetico. All’estrema sinistra le lunghezze d’onda più lunghe (onde radio) e a destra quelle più corte ed energetiche (raggi gamma).

2FGL J0359.5+5410

Gli scienziati di Fermi non sanno letteralmente “cosa fare” con questa sorgente, localizzata nella costellazione della Giraffa. Essa si trova nel piano della nostra galassia, in una zona molto popolata, e quindi probabilmente la sorgente appartiene alla Via Lattea. Mentre lo spettro dei raggi gamma sembra essere quello tipico di una pulsar, nessuna pulsazione è stata identificata con altre strumentazioni e non vi è nessun oggetto conosciuto ad altre lunghezze d’onda. Mistero… qualche alieno, forse?

2. Al di fuori della Via Lattea

Centaurus A

La gigantesca galassia ellittica NGC 5128 si trova a 12 milioni di anni luce da noi, nella costellazione del Centauro. Essa è una delle galassie attive più vicine a noi e ospita la potente sorgente radio conosciuta come Centaurus A.

Centaurus A
Gli enormi lobi della galassia NGC 5128, osservati nelle lunghezze d’onda dei raggi gamma

La maggior parte delle emissioni radio provengono da due lobi estesi per milioni di anni luce, espulsi dal buco nero supermassiccio che è al centro della galassia. IL LAT del Fermi ha rilevato raggi gamma da una estesa regione attorno alla galassia che corrisponde ai lobi radio. L’emissione radio deriva da particelle ad alta velocità. Quando un fotone a bassa energia collide con una di queste particelle, il fotone riceve una “spinta” che sposta il “range” di energia in quello relativo ai raggi gamma. Questo processo, che assomiglia più a una partita di biliardo che a un fenomeno astrofisico, è proprio ciò che accade nella galassia.

La galassia di Andromeda  (M31)

A solo 2,5 milioni di anni luce, la galassia di Andromeda è quella a spirale più vicina a noi. Essa è estremamente simile alla Via Lattea sia per dimensioni che per struttura.  Il LAT si aspettava di rilevare facilmente  M31, dato che la nostra galassia emette raggi gamma che dominano con la loro luminosità diffusa il cielo gamma. Questa emissione diffusa viene creata quando raggi cosmici ad alta energia collidono con il gas interstellare.

galassia di Andromeda
La galassia di Andromeda in varie lunghezze d’onda. Nel gamma è appena percettibile.

Ci sono, invece, volute ben due anni di osservazioni del LAT per scorgere finalmente M31. La galassia di Andromeda produce una quantità di raggi gamma molto più bassa della nostra. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che la vicina di casa forma stelle (e quindi supernove) a un ritmo molto più blando del nostro. E, come sappiamo, sono probabilmente proprio le supernove le sorgenti dei raggi cosmici.

La galassia sigaro  (M82)

Ciò che fa così male M31, lo fa molto meglio M82. Essa si trova nella costellazione dell’Orsa Maggiore a circa 12 milioni di anni luce da noi.  La regione centrale di M82 forma giovani stelle a un ritmo diecimila volte più alto del nostro. Ne deriva un numero molto più alto di supernove che per decine di milioni di anni caratterizzeranno la “vivace” galassia come una delle più luminose sorgenti di raggi gamma.

M82
M82 nel visibile ( a sinistra) e nel gamma (a destra).

Blazar PKS 0537-286

Nel centro di una galassia attiva vi è un massiccio buco nero che dirige due getti di particelle fino a sfiorare la velocità della luce. Gli astronomi chiamano “blazar” una galassia che ha uno dei suoi getti perfettamente puntato verso di noi. Queste sono le condizioni migliori per osservarne la variazioni di energia. PKS 0537-286 è un blazar variabile nella costellazione del Leone e il secondo oggetto più lontano rilevato dal LAT. La galassia ha un redshift di 3.1, che corrisponde ad una distanza di 11.8 miliardi di anni luce, che – come già detto in un altro articolo – deve essere detto più correttamente: “a una distanza tale che la luce che vediamo oggi ha impiegato 11.8 miliardi di anni per raggiungerci”.  Il blazr è la galassia attiva più distante del catalogo di Fermi a mostrare variabilità. Due miliardi di anni dopo il Big Bang i buchi neri galattici erano già in piena forma.

2FGL J1305.0+1152

Posto nella costellazione della Vergine, appartiene a una classi di oggetti alquanto misteriosi. Sono sorgenti deboli che non mostrano variazioni nei due anni di osservazione. L’unica particolarità che permette di classificarli in qualche modo è il loro spettro, cioè la quantità di raggi gamma rilevati a differenti valori energetici. Per certi valori della lunghezza d’onda vi è un vero e proprio annullamento repentino di raggi gamma (spectral break) . Se fosse una pulsar dovrebbe avere questa improvvisa caduta a valori energetici alti, se fosse un blazar dovrebbe mostrare  una perdita molto più graduale. 2FGL J1305.0+1152 si comporta in modo ancora diverso: non mostra alcun “break” nel suo spettro. Cosa sarà mai?

 

 

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2 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Quell'incognita del 31% sull'origine dei raggi gamma osservati non è mica poco... Dev'essere una bella sfida eccitante per gli addetti ai lavori.