4 novembre 2011
Hubble Osserva Direttamente Per La Prima Volta Un Disco di Accrescimento Quasar
L'immagine mostra un quasar la cui luce è stata amplificata dall'effetto di lente gravitazionale di una galassia che può essere vista come una pallida forma intorno alle due immagini brillanti del quasar. Credit: NASA, ESA and J.A. Muñoz (University of Valencia)
Un team di scienziati ha usato il Hubble Space Telescope per osservare direttamente il disco di accrescimento di un quasar, cioè un disco brillantissimo di batteria che sta venendo lentamente divorato dal buco nero supermassiccio al centro della galassia. Il loro studio fa uso di una nuova tecnica per si basa sull'effetto di lente gravitazionale per aumentare di moltissimo la potenza del telescopio. L'incredibile precisione del metodo ha permesso agli astronomi di misurare direttamente la dimensione del disco e misurare le temperature in diverse parti di esso. La precisione di queste osservazioni è simile a quella di riuscire a individuare granelli di polvere sulla superficie della Luna.
La gravità piega la struttura dello spaziotempo, e quindi piega anche la luce che ci passa attraverso. Quando l'allineamento è giusto, con un oggetto direttamente dietro ad un'altro molto massiccio, la gravità di questo piega la luce è agisce come una lente. Questo processo è chiamato "gravitational lensing" o lente gravitazionale. Le lenti gravitazionali tipicamente producono immagini multiple e distorte dell'oggetto distante. Gli effetti più drammatici delle lenti gravitazionali sono l'amplificazione e la distorsione della luce di galassie distante quando questa passa attraverso ammassi massicci di galassie, la cui gravità è tale da piegare in modo spettacolare la luce proveniente da dietro di loro.
Anche le stelle individuali possono piegare la luce, anche se questo effetto è molto minore e può essere soltanto rilevato misurando come l'effetto di lensing aumenta la luminosità della stella. Questo fenomeno, nel caso delle stelle, è chiamato microlensing gravitazionale.
Questo studio, fa uso del microlensing gravitazionale delle stelle presenti in una galassia per studiare il disco di accrescimento di un quasar presente lontano sullo sfondo. Inoltre usa la relazione tra la luce del quasar e l'effetto di lente gravitazionale per sondare il gas e la polvere contenuto nelle galassie intermedie.
I buchi neri ovviamente sono invisibili, per quanto possano essere massicci, ma le forze che scatenano causano alcuni dei fenomeni più luminosi in tutto l'universo: I quasar sono "quasi-stellar objects", dischi di materia luminosissima in orbita intorno a buchi neri supermassicci, che viene riscaldata a temperature altissime e rilascia radiazioni estremamente brillanti.
"Un disco di accrescimento quasar ha una dimensione tipica di qualche giorno luce in diametro, cioè circa 100 miliardi di km, ma si trovano a miliardi di anni luce da noi. Questo significa che la loro dimensione apparente quanto osservati dalla Terra è così piccola che probabilmente non avremmo mai un telescopio abbastanza potente da vere veramente in diretta la loro struttura" ha spiegato Jose Munoz, scienziati a capo di questo nuovo studio.
Fino ad ora, la piccola struttura dei quasar ha significato che tutto quello che sappiamo della struttura provenisse da studi ed estrapolazioni teoriche piuttosto che da osservazioni.
Il team ha però usato un metodo innovativo per lo studio dei quasar: usare le stelle di una galassia intermedia per guardare i dischi come sotto una lente gigantesca, riuscendo così a rilevare caratteristiche troppo piccole per essere viste normalmente. Man mano che queste stelle si muovono davanti alla luce proveniente dal quasar dietro, gli effetti gravitazionali amplificano la luce proveniente da diverse parti del quasar, dando così l'opportunità di avere dettagliati informazioni a colori per una linea che ha attraversato l'intero disco di accrescimento.
Il diagramma mostra come Hubble è in grado di osservare un quasar anche se questo sarebbe troppo lontano da osservare direttamente. Si possono notare tre distinte sezioni: sulla sinistra il quasar con il disco di accrescimento, che è più sfocato verso l'interno dove le temperature sono più grandi. Inoltre è più blu verso il centro e più rosso verso i confini, per la stessa ragione; al centro, una macchia in una galassia intermedia, che segna la luce del quasar che passa attraverso di essa; sulla destra, Hubble riesce a vedere la luce del quasar amplificata dalla galassia. Credit: NASA/ESA
Il team ha osservato un gruppo di quasar distanti che sono nella posizione giusta per usare la tecnica della lente gravitazionale, producendo diverse immagini di queste strutture esotiche e misteriose.
Gli scienziati sono così riusciti a notare sottili differenze nei colori tra varie immagini, e diverse cambiamenti nei colori nell'arco temporale delle osservazioni. Parte di queste differenze sono causate dalle proprietà della polvere presente nelle galassie intermedie: la luce che proviene da ognuna di queste immagini amplificate dall'effetto di lente gravitazionale ha seguito un diverso percorso attraverso la galassia, e così i vari colori portano con se informazioni riguardo ai vari materiali incontrati all'interno della galassia. Misurando il modo e la quantità di luce che la polvere nelle galassie blocca, gli scienziati hanno ottenuto già solo con questo un risultato straordinario.
Per uno dei quasar che hanno studiato, tuttavia, c'erano chiari segnali che le stelle nella galassia intermedia stavano attraversando la via che percorre la luce proveniente dal quasar. Così, per via del microlensing gravitazionale di queste stelle, gli astronomi sono riusciti ad estrapolare importanti dati riguardo alla struttura del quasar stesso.
Registrato le variazioni nei colori, il team è riuscito a ricostruire il profilo dei colori attraverso l'intero disco di accrescimento. Questo è fondamentale perché la temperatura di un disco di accrescimento aumenta man mano che ci si avvicina al buco nero, ed i colori emessi dalla materia molto calda diventano più soffuse man mano che diventano più calde. Questo ha permesso al team di misurare il diametro del disco di materia calda, e creare un grafico riguardo alla distribuzione delle temperature a differenti distanze dal centro.
Hanno scoperto che il disco è tra 4 e 11 giorni luce in diametro (cioè tra 100 miliardi e 300 miliardi di km). Anche se questa misurazione ha ancora un certo livello di incertezza, resta una misurazione incredibilmente accurata per un oggetto così piccolo ad una distanza così grande, e questo metodo promette di poter fare ancora meglio in futuro.
"Questo risultato è molto rilevante perché implica che adesso siamo in grado di ottenere dato empirici della struttura di questi sistemi, piuttosto che basarci sempre su un alone teorico." ha spiegato Munoz. "Le proprietà fisiche dei quasar non sono ancora ben capite e questa nuova abilità di ottenere misurazioni di osservazioni dirette sarà in grado di aprirci una vera finestra sulla natura di questi oggetti."