Rappresentazione artistica del disco di accrescimento intorno a un buco nero supermassiccio, che emette due getti relativistici collimati. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center

Cinque luminosissimi blazar

Emersi dalle profondità del tempo e dello spazio

Le più potenti sorgenti di energia che esistono nell’universo sono i buchi neri supermassicci (si considerano tali i buchi neri che contengono da un milione di masse solari in su).

Annidati per lo più al centro delle galassie che li ospitano, questi buchi neri sono separati dall’universo visibile da uno schermo oltre il quale non è possibile vedere, l’orizzonte degli eventi, e si limitano a manifestare la loro esistenza unicamente attraverso il loro campo gravitazionale. Ma questo campo è talmente intenso da produrre sulla materia in caduta verso il buco nero effetti straordinariamente potenti, visibili fino a miliardi di anni luce di distanza.

Le forme in cui si manifesta per l’osservatore terrestre l’attività nei dintorni dei buchi neri supermassicci sono numerose e dipendono da vari fattori: la quantità di materia che li alimenta, l’orientamento del disco di accrescimento rispetto al nostro punto di osservazione, la massa dei buchi neri, il grado di oscuramento del nucleo galattico in cui si trovano, la distanza dalla Terra.

Per via dei molti modi in cui tali fattori possono combinarsi tra loro, capita che le regioni che contengono buchi neri supermassicci, osservate dalla Terra, appaiano talvolta così diverse tra loro da sembrare irriducibili a una stessa categoria, sebbene il motore gravitazionale all’origine di tutta la loro attività sia estremamente simile (i buchi neri hanno tre sole caratteristiche distintive: massa, carica elettrica e momento angolare).

La regione centrale di una galassia che emette energia sotto varie forme per effetto della presenza di un buco nero supermassiccio si definisce nucleo galattico attivo o, più brevemente, AGN, dall’inglese Active Galactic Nucleus. E, tra tutti i modi in cui gli AGN possono apparire all’osservatore terrestre, i blazar sono la forma più energetica e impressionante.

Un blazar è sostanzialmente un quasar, cioè una potentissima e compatta sorgente di radiazione, spesso di luminosità variabile, di solito molto lontana dalla Terra. I buchi neri al centro di questi oggetti sono circondati da luminosissimi dischi di accrescimento, che ruotano ad alta velocità e producono getti relativistici. Tali getti, emessi in direzioni opposte, sono formati da un plasma di particelle cariche, principalmente elettroni, accelerate quasi alla velocità della luce dai potentissimi campi magnetici e dai venti che si generano intorno al disco di accrescimento del buco nero.

I getti relativistici possono estendersi per decine di migliaia di anni luce e le particelle cariche al loro interno, costrette a percorrere traiettorie tortuose dalla potenza dei campi magnetici in cui sono immerse, producono radiazione di sincrotrone, cioè una fortissima luminosità, osservabile in varie regioni dello spettro elettromagnetico, fino alle massime energie (la regione dei raggi gamma).

Immagine composita della galassia Centaurus A. Sono ben visibili i giganteschi getti emessi dal disco di accrescimento che circonda il buco nero centrale. Credit: ESO

La caratteristica distintiva dei blazar è che uno dei getti è diretto più o meno perfettamente verso la Terra, sicché — anche per il contributo di effetti relativistici — la loro luminosità ci appare di gran lunga maggiore di quella che osserveremmo, se il getto fosse puntato in un’altra direzione.

Sono blazar, in effetti, quasi la metà delle sorgenti gamma osservate nel cielo dal telescopio spaziale Fermi, lanciato dalla NASA nel 2008, attualmente il più potente rilevatore di raggi gamma nell’intervallo di energia tra 20 MeV e 300 GeV.

In uno studio accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Journal Letters e basato appunto sui dati del telescopio Fermi, quattro ricercatori — Vaidehi Paliya, Roopesh Ojha e gli italiani Marco Ajello e Dario Gasparrini — hanno descritto la scoperta di cinque nuovi blazar che emettono nei raggi gamma.

Rappresentazione artistica di un blazar. Credit: M. Weiss/CfA

I cinque oggetti sono stati trovati a partire da un catalogo iniziale di 1,4 milioni di quasar. Il lungo elenco è stato ridotto poi a soli 1.100 quasar, scelti tra i più luminosi nella regione delle onde radio. A questo punto sono stati esaminati i dati di Fermi, per verificare se, nelle posizioni corrispondenti alle 1.100 brillanti sorgenti radio, esistevano controparti che emettevano radiazioni gamma.

Grazie a un recente upgrade del software di gestione del telescopio Fermi, che ha permesso di aumentare notevolmente le potenzialità dello strumento, l’esame ha condotto a un risultato positivo. I cinque nuovi blazar sono tutti caratterizzati da spostamenti verso il rosso compresi tra 3,3 e 4,31. Questi valori indicano che si tratta di oggetti lontanissimi, la cui luce ci giunge dalle profondità del tempo e dello spazio, emessa intorno a 12 miliardi di anni fa, quando l’universo aveva un’età compresa tra 1,4 e 1,9 miliardi di anni.

La cosa sorprendente è che i cinque blazar hanno caratteristiche in tutto simili a quelle osservate in oggetti molto più vicini e meno antichi. I dati osservativi sono compatibili con luminosità nell’ordine dei 2.000 miliardi di luminosità solari, indicative di dischi di accrescimento alimentati da una grande quantità di materia in caduta verso i buchi neri centrali. Due dei cinque blazar sembrano contenere buchi neri supermassicci con una massa stimata rispettivamente in 3 miliardi e oltre 6 miliardi di masse solari.

Come possano essersi formati buchi neri di massa così elevata in così poco tempo dopo la nascita dell’universo resta per ora un mistero senza spiegazione.

Rappresentazione artistica del processo di aggregazione della materia che può aver condotto alla formazione di buchi neri supermassicci nell’universo primordiale. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center