Cosa sono i quasar?
A partire dagli anni 50 questa domanda ha rappresentato una vera sfida per gli astronomi! In quegli anni infatti grazie anche all’utilizzo di radiotelescopi furono scoperti oggetti celesti che emettevano onde sulla maggior parte dello spettro elettromagnetico, e in modo particolarmente intenso sulle frequenze radio.
La cosa curiosa, che colpì molto gli scienziati dell’epoca, era che con i telescopi esistenti a quei tempi era estremamente difficile localizzare con precisione la sorgente di tali radiazioni.
Soltanto alcuni anni dopo, grazie all’evoluzione tecnologica e al maggior potere di risoluzione dei telescopi, fu possibile vedere alcune di queste radiosorgenti. Esse apparivano come corpi celesti quasi puntiformi e debolmente luminosi, molto simili a stelle assai distanti dalla Terra.
Dato che non si riusciva a spiegare la natura di questi oggetti, furono chiamati quasar, contrazione di quasi-stellar radio sources (in Italiano radiosorgenti quasi stellari, cioè simili a stelle).
Quasar: Cosa Sono?
Un quasar è un nucleo galattico attivo (in Inglese AGN, Active Galactic Nucleus) estremamente luminoso, formato da un buco nero supermassivo circondato da un disco di accrescimento composto da materiale in forma gassosa. A causa dell’elevatissima gravità esercitata dal buco nero, questi gas orbitano ad altissima velocità attorno a esso e finiscono poi per oltrepassare l’orizzonte degli eventi ed essere inghiottiti al suo interno.
L’enorme attrito generato dalla rotazione della materia che forma il disco di accrescimento sprigiona una immensa quantità di energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche nella maggior parte dello spettro, comprese le frequenze del visibile. Questo fa si che, per quanto ne sappiamo fino a ora, i quasar siano gli oggetti più luminosi dell’universo.
I Quasar Sono Centri Galattici Attivi
I quasar sono quindi al centro di galassie che si trovano lontanissime dalla Via Lattea.
In realtà si pensa che al centro della maggior parte delle galassie vi siano buchi neri supermassivi, la caratteristica dei quasar è l’estrema luminosità e lo spettro elettromagnetico molto particolare, che spesso comprende anche forti emissioni di onde radio e raggi X.
Per esempio al centro della nostra galassia c’è il buco nero supermassivo Sagittarius A*, ma per fortuna in questo caso non si tratta di un nucleo galattico attivo. Se al centro della nostra galassia ci fosse invece un AGN, l’enorme quantità di energia da esso emessa creerebbe condizioni assolutamente estreme!
I quasar sono talmente luminosi che, anche utilizzando i telescopi più potenti, è piuttosto difficile vedere la galassie che ruotano attorno a essi. In realtà in alcuni casi è stato possibile individuare tali galassie, che però appaiono estremamente fioche rispetto alla luce emessa dai propri centri galattici attivi.
Per esempio nell’immagine che segue (Credit: HST) è possibile vedere i quasar HE1239-2426 (a sinistra) e HE1503+0228 (a destra), ma anche le loro galassie ospitanti:
E’ facile notare come i quasar siano enormemente più luminosi delle galassie stesse!
Massa dei Quasar
Il motore gravitazionale di ogni quasar è il buco nero supermassivo presente nel suo centro.
La massa di questi buchi neri può andare da alcuni milioni fino a decine di miliardi di masse solari.
Chiaramente, finché c’è massa a disposizione attorno al quasar, il disco di accrescimento si alimenta e la massa del buco nero supermassivo si accresce.
Potremmo chiederci come sia possibile misurare la massa di un quasar!
Ovviamente non è possibile misurarla con precisione, ma si può provare a dare almeno una stima approssimativa considerando il limite di Eddington.
Arthur Eddington infatti enunciò che c’è un limite ben preciso alla luminosità massima che un corpo sferico può avere. Se parliamo di una stella, tale limite è dato dall’equilibrio tra l’attrazione di gravità e la pressione di radiazione che agisce in senso opposto.
Se non ci fosse equilibrio tra queste due forze contrastanti, il vento stellare diventerebbe così forte che l’espansione prevarrebbe e la stella tenderebbe a dissolversi.
Avendo una misura della luminosità dei quasar, e ipotizzando che tali corpi celesti siano vicini al limite di Eddington, è possibile dare una stima della loro massa.
Luminosità dei Quasar
Come abbiamo già detto, una delle principali caratteristiche dei quasar è la loro incredibile luminosità assoluta, che può arrivare a essere migliaia di miliardi di luminosità solari standard.
La luminosità di uno dei quasar più brillanti che si conoscano (3C 273) è approssimativamente pari a 4000 miliardi di volte la luminosità del Sole.
Ciò equivale a circa 100 volte la luminosità emessa dell’intera Via Lattea: considera che si stima che la nostra galassia comprenda da un minimo di 100 miliardi fino a 400 miliardi di stelle!
Il quasar 3C 273 si trova nella costellazione della Vergine, e dista dalla Terra circa 2,44 miliardi di anni luce.
Esso ha una magnitudine apparente pari a 13, e se si trovasse a una distanza di 33 anni luce dalla Terra ci apparirebbe brillante quanto il Sole (con la differenza che il Sole dista da noi soltanto 0,00001559 anni luce, cioè appena 8 minuti luce).
Nonostante queste immense luminosità assolute, se osserviamo il cielo di notte a occhio nudo possiamo vedere moltissimi altri oggetti luminosi (soprattutto stelle) ma non siamo in grado di vedere alcun quasar. Questo ovviamente avviene per via del fatto che i quasar sono incredibilmente lontani dal pianeta Terra!
Bisogna infatti tenere conto che la luminosità apparente decresce proporzionalmente al quadrato della distanza, e quindi molto rapidamente.
Dimensioni dei Quasar
Tipicamente la luminosità dei quasar varia in maniera significativa in un arco temporale compreso tra alcune ore e alcuni mesi. Questo ci fa capire che i quasar non hanno dimensioni poi così enormi, dato che la luminosità di un oggetto non si può modificare in un tempo inferiore a quello che ci mette la luce ad attraversarlo.
Ciò significa che i quasar possono arrivare al massimo a estensioni pari a un anno luce.
Questo implica che i quasar sono molto più piccoli rispetto alle galassie che li ospitano, e ciò ha evidentemente senso dato che un quasar rappresenta proprio il centro attorno a cui il resto della galassia ruota!
Ad esempio le dimensioni della via Lattea (al centro della quale però non c’è un quasar, ma un buco nero supermassivo non attivo) sono di circa 260000 anni luce.
Distanza dei Quasar
I quasar sono oggetti astronomici estremamente distanti da noi. Tipicamente i quasar si trovano a distanze il cui ordine di grandezza si misura in miliardi di anni luce.
Uno dei quasar più lontani che conosciamo è ULAS J1342+0928, che si trova:
- a una distanza travel-light distance pari a circa 13 miliardi di anni luce. Questo significa che la luce proveniente da ULAS J1342+0928 e che noi vediamo oggi è stata emessa circa 13 miliardi di anni fa.
- a una distanza comovente di 29,36 miliardi di anni luce.
Come è possibile che la distanza comovente sia maggiore dell’età dell’universo (stimata pari a circa 13,72 miliardi di anni)?
Questo è possibile poiché il nostro universo è in espansione, il che significa che oggetti non legati da attrazione gravitazionale reciproca (ad esempio due galassie molto distanti) tendono ad allontanarsi sempre di più nel tempo. Le coordinate comoventi introducono un fattore di scala che dipende dal tempo, e che permette di ignorare quindi il fattore “espansione dell’universo” che farebbe continuamente cambiare la distanza tra due oggetti celesti.
Ma come è possibile avere una stima abbastanza precisa della distanza di un quasar? Per farlo occorre studiarne lo spettro elettromagnetico, e in particolare una proprietà di esso chiamata redshift.
Quasar: Spettro Elettromagnetico e Redshift Cosmologico
I quasar emettono radiazioni lungo quasi tutto lo spettro elettromagnetico, spaziando dall’infrarosso ai raggi X.
Come già detto, una caratteristica dei quasar è l’emissione di onde radio e alcuni di essi sono forti radiosorgenti (i cosiddetti radio-loud quasars). Esiste in realtà anche una categoria di quasar che emettono onde radio in maniera abbastanza debole (radio-quiet quasars).
Ci sono quasar in grado di emettere perfino raggi gamma.
Fino ai primi anni 60 gli studiosi erano sorpresi dalla stranezza delle emissioni elettromagnetiche dei quasar, e non riuscivano a capirne lo spettro. Nel 1963 l’astronomo Marteen Schmidt comprese che la parte visibile dello spettro emesso da 3C 273 era in realtà compatibile con quello classico dell’idrogeno, ma spostato verso il rosso di un 15,8%.
Tipicamente la lunghezza d’onda di una radiazione aumenta se essa viaggia tra due oggetti celesti che si stanno allontanando l’uno dall’altro, e si ha quindi una traslazione dello spettro verso il rosso (redshift, solitamente indicato con z). Le frequenze proprie del colore rosso sono infatti quelle caratterizzate da una lunghezza d’onda maggiore (e quindi frequenza minore) nello spettro del visibile. Nel caso ti interessasse, ecco un altro nostro articolo che parla dello spostamento verso il rosso.
Il problema è che tale interpretazione avrebbe implicato che 3C 273 si stesse allontanando a una velocità incredibile, di poco inferiore a 1/6 della velocità della luce!
Si comprese quindi che la ragione per lo spostamento verso il rosso era in realtà il cosiddetto redshift cosmologico.
Lo spostamento verso il rosso cosmologico è il fenomeno per cui la lunghezza d’onda delle radiazioni elettromagnetiche aumenta (e quindi trasla verso le frequenze tipiche del rosso) a causa dell’espansione intrinseca dell’universo.
Questo significa che 3C 273 si trova all’enorme distanza di 2,44 miliardi di anni luce dal pianeta Terra. La cosa interessante è che in realtà esso è uno dei quasar attivi più vicini a noi, e quindi anche uno dei più studiati!
Fu finalmente chiaro che i quasar sono oggetti astronomici lontanissimi e incredibilmente luminosi.
Nel tempo furono via via individuati quasar sempre più lontani, e a oggi il più lontano in assoluto è J0313-1806 che si trova nella costellazione Eridanus ed è caratterizzato da un redshift elevatissimo e pari a 7,642. Ciò significa che la luce ha dovuto viaggiare per oltre 13 miliardi di anni per arrivare fino a noi!
Vediamo quindi una tabella che riporta dati relativi ad alcuni dei quasar più noti:
| Quasar | Costellazione | Distanza (Redshift) | Distanza (travel-light) | Descrizione |
| J0313–1806 | Eridanus | 7,642 | 13,03 miliardi a.l. | Quasar più lontano a oggi noto |
| ULAS J1342+0928 | Boötes | 7,54 | 13 miliardi a.l. | Precedente quasar più lontano |
| ULAS J1120+0641 | Leone | 7,085 | 12,9 miliardi a.l. | Primo quasar scoperto con redshift > 7 |
| TON 618 | Cani da Caccia | 2,219 | 10,4 miliardi a.l. | Il suo buco nero ha una massa di 66 miliardi di masse solari |
| 3C 273 | Vergine | 0,158339 | 2,44 miliardi a.l. | Quasar più vicino alla Terra |
Vista l’incredibile distanza a cui si trovano i quasar, come detto essi devono essere anche immensamente luminosi. Questo implica inoltre che essi generino una incredibile quantità di energia radiante.
Quasar: Getti Relativistici
Una spettacolare caratteristica di alcuni quasar sono i getti relativistici (relativistic jets), ovvero potentissimi getti di materia ionizzata che fuoriescono dalle regioni polari del quasar stesso, e che possono arrivare a estendersi per milioni di anni luce!
Ecco due tra le teorie più accreditate sulla natura dei getti relativistici:
- sono composti da un mix di protoni, elettroni e positroni che complessivamente risulta elettricamente neutro
- sono fatti di plasma di positroni ed elettroni.
Il meccanismo che porta alla formazione dei getti appare estremamente complesso ed è ancora oggetto di studio. Tra le varie ipotesi, si pensa che i fortissimi campi magnetici esistenti nella regione del disco di accrescimento siano disposti in modo da contribuire a direzionare tali getti lungo l’asse di rotazione del quasar.
Si ritiene che parte della forte emissione radio che caratterizza alcuni quasar possa essere dovuta ai getti relativistici, le cui particelle subatomiche si muovono a velocità prossime a quella della luce.
Blazar: Cosa Sono
Quando un AGN ha il getto relativistico puntato quasi in linea con l’osservatore viene detto blazar.
Per via di un fenomeno noto come radiante relativistico (relativistic beaming) più un getto forma un angolo piccolo rispetto alla linea di visione Terra – quasar, e più ci appare luminoso. Questo tipo di effetto avviene quando il plasma che costituisce il getto si muove a velocità vicine a quella della luce.
La conseguenza è che quasar aventi le medesime caratteristiche ma orientamento dei getti differente rispetto alla Terra ci appariranno assai diversi in quanto a luminosità dei getti relativistici.
Perfino i 2 getti di uno stesso quasar possono sembrarci molto diversi tra loro se uno dei due è leggermente più orientato verso il nostro pianeta rispetto all’altro.
Quasar e Teoria del Big Bang
Come abbiamo visto, i quasar sono nuclei galattici attivi che si trovano a distanze enormi da noi.
La luce di molti di essi ha viaggiato per oltre 10 miliardi di anni prima di giungere fino alla Terra! Questo riveste un interesse particolare nello studio dell’universo primordiale.
Si ritiene infatti che i quasar fossero molto più comuni nella prima parte della vita dell’universo, quando molte galassie erano in via di formazione. Un maggior numero di quasar sarebbe stato possibile grazie alla maggiore quantità di materia a disposizione per alimentare i buchi neri supermassicci al centro delle galassie “neonate”.
Molti di questi AGN nel tempo avrebbero perso gran parte della loro attività: se consideriamo ad esempio la nostra galassia a oggi, il buco nero supermassivo Sagittarius A* presente al suo centro non è più attivo.
Questo costituirebbe una prova a favore della teoria del Big Bang e dell’universo in espansione.
L’esistenza di alcuni tra i quasar più antichi pone però, secondo alcuni studiosi, anche un problema attualmente non spiegato dalla teoria del Big Bang. Vediamo quale prendendo come riferimento il quasar J0313–1806.
Esso è il più lontano quasar attualmente conosciuto, e la luce da esso prodotta ha viaggiato per oltre 13 miliardi di anni prima di arrivare fino a noi. Considerando l’età dell’universo, ciò significa che J0313–1806 esisteva già dopo meno di 700 milioni di anni dal Big Bang!
Dato che la massa stimata di J0313–1806 è pari a circa 1,6 miliardi di masse solari, come è possibile che esso abbia inghiottito questa enorme quantità di materia in solo poche centinaia di milioni di anni?
Microquasar
Cosa sono i microquasar?
Si tratta di piccoli quasar che sono alimentati da un buco nero stellare.
A differenza dei quasar propriamente detti, il cui “motore” è un buco nero supermassiccio, i microquasar hanno al centro un buco nero di massa minore formatosi in seguito al collasso di una stella.
Come già sappiamo i buchi neri supermassivi possono arrivare a masse pari a miliardi di masse solari. I buchi neri stellari invece solitamente non superano le decine di masse solari.
Per il resto, le caratteristiche dei microquasar sono simili a quelle dei quasar ma in scala ridotta. I microquasar infatti:
- hanno un disco di accrescimento toroidale il cui materiale, accelerato dalla gravità del buco nero, si scalda talmente tanto da emettere raggi X
- sono estremamente luminosi
- possono avere getti relativistici le cui particelle raggiungono velocità vicine a quella della luce
- emettono radioonde, solitamente in maniera intensa e variabile (e ovviamente emettono anche su molte altre frequenze lungo lo spettro elettromagnetico).
Tipicamente i microquasar fanno parte di sistemi binari, dove oltre al microquasar è presente anche una stella normale (di massa varie volte minore rispetto a quella del buco nero). Tale stella fornisce al microquasar il materiale per alimentare il disco di accrescimento.
Il primo microquasar scoperto è SS 433, la cui identificazione risale al 1977. Esso si trova nella costellazione dell’Aquila, a circa 18000 anni luce dalla Terra. Il disco di accrescimento di SS 433 prende materiale dalla stella compagna e il sistema binario emette sia raggi X che onde radio.
La particolarità di SS 433 è rappresentata dai getti che sono soggetti a un fenomeno di precessione. A causa di ciò, il loro asse di rotazione cambia direzione, proprio come una trottola che rallenta. Questo fa si che il loro orientamento nello spazio cambi, formando uno spettacolare elicoide che è possibile ammirare nella foto che segue (Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/K. Blundell (University of Oxford, UK), R. Laing, S. Lee & A. Richards, Ap J Letters.):
Nella foto è possibile notare le seguenti caratteristiche di SS 433:
- disco di accrescimento rotante, caldo e brillante che circonda il buco nero al centro del microquasar
- forma a “cavatappi” (elicoide) creata dai getti relativistici che cambiano orientamento nello spazio a causa della precessione.
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