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WISE: la "mappatura dell'eco" nelle galassie lontane potrebbe misurare vaste distanze cosmiche

02 ottobre 2020
La materia che vortica attorno a buchi neri supermassicci crea esplosioni di luce che "echeggiano" nelle vicine nuvole di polvere. Questi segnali potrebbero servire come un nuovo metro cosmico per misura con precisione la distanza dal buco nero e dalla galassia in cui vive.

Quando guardi il cielo notturno, come fai a sapere se i puntini di luce che vedi sono luminosi e lontani, o relativamente deboli e vicini? Un modo per scoprirlo è confrontare la quantità di luce effettivamente emessa dall'oggetto con la sua luminosità. La differenza tra la sua vera luminosità e la sua luminosità apparente rivela la distanza di un oggetto dall'osservatore.
Misurare la luminosità di un oggetto celeste è difficile, specialmente con i buchi neri, che non emettono luce. Ma i buchi neri supermassicci che si trovano al centro della maggior parte delle galassie forniscono una scappatoia: spesso attirano molta materia intorno a loro, formando dischi caldi che possono irradiare luce molto brillante. E misurare la luminosità di un disco luminoso consentirebbe agli astronomi di misurare la distanza dal buco nero e dalla galassia in cui vive. Le misurazioni della distanza non solo aiuterebbero gli scienziati a creare una migliore mappa tridimensionale dell'universo, ma possono anche fornire informazioni su come e quando gli oggetti si sono formati.

In un nuovo studio, gli astronomi hanno utilizzato una tecnica che alcuni hanno soprannominato "mappatura dell'eco" per misurare la luminosità dei dischi di buchi neri in oltre 500 galassie. Pubblicato il mese scorso sull'Astrophysical Journal, lo studio fornisce un sostegno all'idea che questo approccio potrebbe essere utilizzato per misurare le distanze tra la Terra e queste galassie così lontane.

Il processo di mappatura dell'eco, noto anche come mappatura del riverbero, inizia quando il disco di plasma caldo (degli atomi che hanno perso i loro elettroni) vicino al buco nero diventa più luminoso, a volte anche rilasciando brevi bagliori di luce visibile (che significa lunghezze d'onda che possono essere viste dall'occhio umano). Quella luce si allontana dal disco e alla fine si imbatte in una caratteristica comune della maggior parte dei sistemi di buchi neri supermassicci: un'enorme nuvola di polvere a forma di ciambella (nota anche come toro di polvere). Insieme, il disco e il toro formano una sorta di occhio di bue, con il disco di accrescimento avvolto strettamente attorno al buco nero, seguito da anelli consecutivi di plasma e gas leggermente più freddi, e infine il toro di polvere, che costituisce l'anello più ampio e più esterno dell'occhio di bue. Quando il lampo di luce dal disco di accrescimento raggiunge la parete interna del toro di polvere, la luce viene assorbita, provocando il riscaldamento della polvere e il rilascio di luce infrarossa. Questo brillamento del toro è una risposta diretta o, si potrebbe dire, un "eco" dei cambiamenti che avvengono nel disco.



La distanza dal disco di accrescimento all'interno del toroide della polvere può essere enorme: miliardi o trilioni di chilometri. Anche la luce, viaggiando a 300.000 chilometri al secondo, può impiegare mesi o anni per attraversarla. Se gli astronomi possono osservare sia il bagliore iniziale della luce visibile nel disco di accrescimento che il successivo illuminamento infrarosso nel toro, possono anche misurare il tempo impiegato dalla luce per viaggiare tra queste due strutture. Poiché la luce viaggia a una velocità standard, questa informazione fornisce anche agli astronomi la distanza tra il disco e il toroide.

Gli scienziati possono quindi utilizzare la misurazione della distanza per calcolare la luminosità del disco e, in teoria, la sua distanza dalla Terra. Ecco come: la temperatura nella parte del disco più vicina al buco nero può raggiungere decine di migliaia di gradi, così alta che anche gli atomi vengono lacerati e le particelle di polvere non possono formarsi. Il calore del disco riscalda anche l'area circostante, come un falò in una notte fredda. Ma allontanandosi dal buco nero, la temperatura diminuisce gradualmente.
Gli astronomi sanno che la polvere si forma quando la temperatura scende a circa 1.200° C e più grande è il falò (o più energia irradia il disco), più lontano si forma la polvere. Quindi misurare la distanza tra il disco di accrescimento e il toro rivela la potenza energetica del disco, che è direttamente proporzionale alla sua luminosità.

Poiché la luce può impiegare mesi o anni per attraversare lo spazio tra il disco e il toro, gli astronomi hanno bisogno di dati sull'arco di decenni. Il nuovo studio si basa su quasi due decenni di osservazioni in luce visibile di dischi di accrescimento di buchi neri, catturati da diversi telescopi terrestri. La luce infrarossa emessa dalla polvere è stata rilevata dal Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer della NASA (NEOWISE), precedentemente chiamato WISE. La sonda spaziale sorveglia l'intero cielo circa una volta ogni sei mesi, fornendo agli astronomi ripetute opportunità di osservare le galassie e cercare i segni di quegli "echi" luminosi. Lo studio ha utilizzato 14 rilevamenti del cielo di WISE/NEOWISE, raccolti tra il 2010 e il 2019. In alcune galassie, la luce ha impiegato più di 10 anni per attraversare la distanza tra il disco di accrescimento e la polvere, rendendoli gli echi più lunghi mai misurati all'esterno la Via Lattea.

In una galassia lontana, lontana

L'idea di utilizzare la mappatura dell'eco per misurare la distanza dalla Terra a galassie così lontane non è nuova, ma lo studio ha fatto passi da gigante nel dimostrarne la fattibilità. In questa più grande ricerca nel suo genere, lo studio ha confermato che la mappatura dell'eco si svolge allo stesso modo in tutte le galassie, indipendentemente da variabili come le dimensioni di un buco nero, che possono variare in modo significativo nell'universo. Ma questa tecnica non è pronta per un utilizzo ufficiale.
A causa di molteplici fattori, le misurazioni della distanza eseguite dagli autori mancano di precisione. In particolare, come da loro stessi precisato, c'è bisogno di capire di più sulla struttura delle regioni interne della ciambella di polvere che circonda il buco nero. Quella struttura potrebbe influenzare elementi come le lunghezze d'onda specifiche della luce infrarossa che la polvere emette quando la luce la raggiunge per la prima volta.

I dati di WISE non coprono l'intera gamma di lunghezze d'onda dell'infrarosso e un set di dati più ampio potrebbe migliorare le misurazioni della distanza. Il Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA, che verrà lanciato intorno al 2025, fornirà osservazioni mirate in diverse gamme di lunghezze d'onda dell'infrarosso. La prossima missione SPHEREx dell'agenzia (che sta per Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer) esaminerà l'intero cielo in più lunghezze d'onda infrarosse e potrebbe anche aiutare a migliorare questa tecnica.

"La bellezza della tecnica di mappatura dell'eco è che questi buchi neri supermassicci non scompariranno presto", ha detto Qian Yang, ricercatore presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e autore principale dello studio, riferendosi al fatto che i dischi dei buchi neri possono subire un flaring attivo per migliaia o addirittura milioni di anni. "Così possiamo misurare gli echi di polvere più e più volte per lo stesso sistema emigliorare la misurazione della distanza".

Le misurazioni della distanza basate sulla luminosità possono già essere eseguite su oggetti chiamati candele standard, che hanno una luminosità nota. Un esempio è un tipo di stella che esplode chiamata supernova di tipo 1a, che ha svolto un ruolo fondamentale nella scoperta dell'energia oscura (il nome dato alla misteriosa forza trainante dietro l'espansione accelerata dell'universo). Le supernove di tipo 1a hanno tutte circa la stessa luminosità, quindi gli astronomi devono solo misurare la loro luminosità apparente per calcolare la loro distanza dalla Terra.
Grazie ad altre candele standard, gli astronomi possono misurare una proprietà dell'oggetto per dedurne la luminosità specifica. Questo è il caso della mappatura dell'eco, in cui ogni disco di accrescimento è unico ma la tecnica per misurare la luminosità è la stessa. Ci sono vantaggi per gli astronomi nell'essere in grado di utilizzare più candele standard, come la possibilità di confrontare le misurazioni della distanza per confermare la loro accuratezza, e ogni candela standard ha punti di forza e di debolezza.

"Misurare le distanze cosmiche è una sfida fondamentale in astronomia, quindi la possibilità di avere un asso nella manica in più è molto allettante", ha concluse Yue Shen, anche lei ricercatrice presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e co-autrice dell'articolo.

fonti: NASA Jet Propulsion Laboratory

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