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Copy of Astronomy

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by

Ilaria Coppola

on 25 February 2014

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Transcript of Copy of Astronomy

I nuovi oggetti
Cosa sono?
Negli anni sessanta gli astronomi avrebbero potuto facilmente credere che ormai vi fossero poche sorprese in serbo tra gli oggetti fisici del cielo.
e perché si chiamano così?
Cosa sono?
di Ilaria Coppola
Certo, potevano venire nuove teorie e nuove concezioni, ma sicuramente non c'era da aspettarsi di scoprire nuove sorprendenti varietà di stelle, di galassie, o di qualsiasi altra cosa, dopo tre secoli di osservazione effettuata con strumenti sempre più raffinati.
Agli astronomi che nutrivano questa opinione erano riservati tremendi shock - il primo dei quali fu il risultato di un'indagine su certe radio sorgenti che apparivano insolite, ma non sorprendenti.
Il primo spettro di un quasar rivelò numerose linee di emissione (come le già note galassie di Seyfert), dalle quali si misurò il caratteristico spostamento verso il rosso.
Argomento di aspri dibattiti durante gli anni sessanta fu se i quasar fossero oggetti vicini oppure lontanissimi come indicava il loro redshift.Un forte argomento contro i quasar posti a distanze cosmologiche era che la grande distanza implicava luminosità così alte per le quali nessun processo conosciuto all'epoca, compresa la fusione nucleare, avrebbe fornito l'energia necessaria. Alcuni suggerirono che i quasar fossero composti da antimateria, altri che fossero buchi bianchi
la soluzione fu trovata con la proposta del meccanismo del disco di accrescimento, e oggi la distanza cosmologica dei quasar è accettata da quasi tutti i ricercatori.

Le immagini del Telescopio Spaziale Hubble di vari quasar, permisero, negli anni novanta, di scoprire le galassie ospiti di questi oggetti, fornendo così una prova decisiva per l'inquadramento di questi oggetti nei modelli unificati delle galassie attiv
e.
I
Quasar
Un
quasar
(contrazione di
QUAS
i-stell
AR
radio source
, radiosorgente quasi stellare) è un nucleo galattico attivo estremamente luminoso e generalmente molto distante. Il nome deriva dal fatto che questi oggetti furono inizialmente scoperti come potenti sorgenti radio, la cui controparte ottica risultava puntiforme come una stella. Il grande spostamento verso il rosso che caratterizza i quasar, in accordo con la legge di Hubble, implica che siano oggetti molto distanti e che debbano emettere energia equivalente a centinaia di normali galassie.
Quando e come?
I quasar oggi
Il modello attuale
Negli anni ottanta, si svilupparono dei modelli unificati in cui i quasar erano visti come una classe di galassie attive, e il consenso generale è che solo l'angolo di vista li distingue dalle altre classi, come le galassie di Seyfert, le quali, come già detto, hanno uno spettro simile, o i blazar o le radiogalassie. L'enorme luminosità dei quasar è spiegata come il risultato dell'attrito causato da gas e polveri che cadono in un buco nero supermassiccio formando un
disco di accrescimento
, meccanismo che può convertire circa la metà della massa di un oggetto in energia, contro i pochi punti percentuali dei processi di fusione nucleare, anche se i meccanismi esatti di questa enorme produzione di energia sono ancora sconosciuti.
Questo meccanismo è usato anche per spiegare come mai i quasar fossero più comuni nell'Universo primitivo, perché la produzione di energia cessa quando il buco nero supermassiccio ha consumato tutto il gas, polveri e stelle attorno ad esso. Questo significa che è possibile che la maggior parte delle galassie, compresa la nostra Via Lattea, sia passata attraverso una fase di galassia attiva e sia adesso quiescente per mancanza di rifornimento di materia del buco nero. Implica inoltre che un quasar si possa riaccendere se nuova materia viene sospinta verso il centro della galassia. Questo è quello che succede in molte galassie interagenti, e in effetti la proporzione di quasar tra queste è più alta che tra le galassie normali.
Le implicazioni cosmologiche dei quasar
Cosa ci fanno capire?
Il più intenso spostamento verso il rosso conosciuto per un quasar è di 7,085±0,003, e appartiene al quasar scoperto nel 2011, ULAS J1120+0641. Tale notevole distanza, implica che questo quasar sia già formato a soli 770 milioni di anni dopo il big bang. I quasar osservabili più vecchi sono quindi posti all'inizio della formazione ed evoluzione delle galassie.
Il fatto che i quasar fossero più frequenti nelle fasi iniziali dell'universo è stato utilizzato come argomento a favore della teoria del big bang contro la teoria antagonista dello stato stazionario di Hoyle.
I quasar suggeriscono anche alcuni indizi sulla fine della reionizzazione dell'Universo. I quasar più vecchi hanno chiare regioni di assorbimento di fronte a loro, il che indica che il mezzo intergalattico del tempo era del gas neutro.
primo quasar
Un'altra caratteristica interessante dei quasar è che mostrano evidenze di elementi più pesanti dell'elio. Questo viene preso come indizio del fatto che le galassie, all'inizio della loro vita, hanno attraversato una fase di massiccia formazione stellare creando delle stelle di popolazione III tra il tempo del Big Bang e i primi quasar osservati. Questa teoria ha il problema che, fino al 2004, non è stata trovata alcuna evidenza a favore di queste stelle e, se esse non verranno trovate negli anni a venire e non verrà trovata una spiegazione alternativa plausibile per la presenza di elementi pesanti, è possibile che si dovrà riconsiderare l'intero modello di Universo attuale.
Il telescopio spaziale Spitzer nel 2005 ha osservato luce che potrebbe provenire da tali stelle, ma manca ancora una conferma definitiva.

Immagine di un quasar distante circa 9 miliardi di anni luce (al centro). L'oggetto che si trova alla sua destra e' una stella vicina a noi. L'oggetto in basso a destra e' una galassia ellittica, che appare vicina al quasar ma si trova in realta' a 2 miliardi di anni luce da questo. Il quasar, nonostante la sua enorme distanza, appare molto brillante e ha un aspetto stellare, perche' emette una quantita' immensa di energia in una regione piuttosto piccola del suo nucleo.
Che cos'è?
Una pulsar, nome che stava originariamente per sorgente radio pulsante, è una stella di neutroni, nome derivante dal fatto che contiene 20 volte più neutroni che protoni. Nelle prime fasi della sua formazione, in cui ruota molto velocemente, la sua radiazione elettromagnetica in coni ristretti è osservata come impulsi emessi ad intervalli estremamente regolari. Nel caso di pulsar ordinarie, la loro massa è pari a quella del Sole, ma sono compresse in un raggio di una decina di chilometri, quindi la loro densità è enorme. Il fascio di onde radio emesso dalla stella è causato dall'azione combinata del campo magnetico e della rotazione. Le pulsar si formano dopo che una stella collassa come supernova II e le cui regioni interne implodendo costituiscono una stella di neutroni
Quando e come?
La scoperta
Il modello di pulsar generalmente accettato, e raramente messo in discussione, è quello del rotatore obliquo. Spiega le osservazioni con un fascio di radiazioni che punta nella nostra direzione una volta per ogni rotazione della stella di neutroni.









Questo angolo rende il comportamento dei fasci simile a quello di un faro. La sorgente di energia dei fasci è l'energia rotazionale della stella di neutroni, la quale rallenta lentamente la propria rotazione per alimentare i fasci. Le pulsar millisecondo sono state probabilmente accelerate dal momento angolare posseduto da materia esterna caduta su di esse, proveniente da una vicina stella compagna in un sistema binario mediante il meccanismo del trasferimento di massa. Anche le pulsar millisecondo, però, rallentano costantemente la propria rotazione.
L'osservazione di glitch è di interesse per lo studio dello stato della materia nelle stelle di neutroni. Un glitch è un improvviso aumento della velocità di rotazione (che viene osservato come un'improvvisa riduzione dell'intervallo tra gli impulsi). Per lungo tempo si è creduto che tali glitch derivassero da "stellemoti" dovuti ad aggiustamenti della crosta superficiale della stella di neutroni. Oggi esistono anche modelli alternativi, che spiegano i glitch come improvvisi fenomeni di superconduttività dell'interno della stella. La causa esatta dei glitch non è al momento conosciuta.

Nel 2003, le osservazioni della pulsar della Nebulosa del Granchio ha rivelato "sotto-impulsi", sovrapposti al segnale principale, con una durata di pochi nanosecondi. Si pensa che impulsi così stretti possano essere emessi da regioni della superficie della pulsar con un diametro massimo di 60 centimetri, rendendo queste regioni le più piccole strutture mai misurate all'esterno del Sistema Solare.
Perché sono importanti?
La scoperta delle pulsar ha confermato l'esistenza di stati della materia prima solo ipotizzati, appunto la stella di neutroni, e impossibili da riprodurre in laboratorio a causa delle alte energie necessarie, gravitazionali e non. Questo tipo di oggetto è l'unico in cui è possibile osservare il comportamento della materia a densità nucleari, anche se solo indirettamente. Inoltre, le pulsar millisecondo hanno consentito un nuovo test della relatività generale in condizioni di forti campi gravitazionali.

Grazie alle pulsar, è stata possibile la prima scoperta dei primi
pianeti extrasolari
.
Le
pulsar
L'origine del fascio rotante è legato al disallineamento tra l'asse di rotazione e l'asse del campo magnetico della pulsar, analogamente a quanto si osserva sulla Terra. Il fascio è emesso dai poli magnetici della pulsar, che possono essere separati dai poli di rotazione di un angolo anche ampio.
Le pulsar furono scoperte durante l'analisi di onde radio per studiare la scintillazione delle quasar. Trovarono invece un segnale molto regolare, consistente di un impulso di radiazione ogni pochi secondi. L'origine terrestre del segnale fu esclusa, perché il tempo che l'oggetto impiegava ad apparire era in sincronia con il giorno siderale invece che con il giorno solare e la potenza emessa era di ordini di grandezza superiore a quella producibile artificialmente.
Dopo molte speculazioni, una spiegazione più prosaica fu trovata in una stella di neutroni, un oggetto fino ad allora solo ipotizzato.

La pulsar del Granchio
Il collegamento con il passato
La pulsar del Granchio è una stella di neutroni relativamente giovane situata al centro della Nebulosa del Granchio, il resto della supernova SN 1054. Scoperta nel 1968, fu la prima pulsar ad essere messa in relazione con un resto di supernova, una scoperta fondamentale per l'interpretazione delle pulsar come stelle di neutroni ad elevata velocità di rotazione
La pulsar del Granchio ha un diametro, nel visibile di circa 28-30 km e compie una rotazione in 33 millisecondi, cioè compie 30 giri al secondo, ma si ritiene che stia rallentando di 38 nanosecondi al giorno a causa della grande quantità di energia emanata tramite vento; talvolta il suo periodo di rotazione mostra dei forti cambiamenti, noti come glitch. Tale vento, accelerato a velocità relativistiche, interagisce con i gas della nebulosa producendo un'emissione di sincrotrone che costituisce la gran parte dell'emissione dell'oggetto, rivelata in quasi tutto lo spettro elettromagnetico, dalla banda radio ai raggi gamma. L'energia rilasciata man mano che la pulsar rallenta è notevolissima e potenzia le emissioni di sincrotrone della Nebulosa del Granchio, che ha una luminosità totale di circa 75.000 volte quella del Sole
.
Un gruppo di astronomi europei ha utilizzato il telescopio da 8,20 metri di diametro VLT (Very Large Telescope) dell’ESO e un insieme di altri telescopi per scoprire e studiare il quasar più distante finora trovato. Questo oggetto di eccezionale luminosità intrinseca, alimentato da un buco nero di massa pari a circa 2 miliardi di volte la massa del Sole, è di gran lunga l’oggetto più brillante finora scoperto nell’Universo primordiale, e ci aiuterà a capire come si sono formati i buchi neri supermassicci qualche centinaio di milioni di anni dopo il Big Bang.


Il più lontano
Il più antico
Vediamo questo quasar appena scoperto, denominato con la sigla
ULAS J1120+0641
, come era a soli 770 milioni di anni dopo il Big Bang (il suo redshift è 7,1). La luce emessa ha impiegato circa 12,9 miliardi di anni per raggiungerci. Anche se alcuni oggetti più distanti sono già stati scoperti e confermati (per esempio un lampo di luce gamma e una galassia rispettivamente ad un redshift di 8,2 e 8,6), questo quasar recentemente scoperto è centinaia di volte più brillante di queste sorgenti. Tra gli oggetti sufficientemente brillanti per essere studiati in dettaglio, questo è di gran lunga il più distante. Il secondo quasar in ordine di distanza finora conosciuto risale ad un’epoca in cui l’Universo aveva un’età di soli 870 milioni di anni (redsfhit 6,4).

Trovarne uno così lontano, a un redshift maggiore di 7, è stata una vera sorpresa ed essendo molto prossimo all’era della re-ionizzazione, questo quasar ci offre un’opportunità unica per esplorare una finestra di circa 100 milioni di anni nella storia del cosmo, finestra che prima era al di là delle nostre possibilità.

La distanza di ULAS J1120+0641 è stata determinata grazie alle osservazioni effettuate con lo strumento FORS2 montato sul VLT e con strumenti del telescopio Gemini Nord, anch’esso da 8 metri di diametro. Poiché questo oggetto è relativamente brillante, è stato possibile misurarne lo spettro (cioè dividere la luce che arriva dall’oggetto nei suoi colori componenti). Queste osservazioni hanno permesso di ottenere molte informazioni sul quasar e, in particolare, di stimare che la massa del buco nero al centro di ULAS J1120+0641 è circa 2 miliardi di volte quella del Sole. Questa massa così alta è difficile da spiegare in un tempo così vicino al Big Bang. Le attuali teorie per la formazione di un buco nero supermassiccio prevedono, infatti, una lenta crescita della massa man mano che l’oggetto compatto attrae materiale dai dintorni.
Si stima che i quasar brillanti con redshift maggiore di 7 in tutto il cielo siano solo un centinaio e lo studio di quelli finora conosciuti e di quelli che verranno scoperti fornirà un notevolissimo contributo alla soluzione di alcuni misteri relativi alle prime fasi evolutive dell’Universo primordiale.
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