I nuclei galattici attivi sono gli oggetti astrofisici più luminosi dell’Universo. Essi non brillano in maniera permanente piuttosto la loro luminosità subisce una sorta di “sfarfallio” estremamente lento. E’ quanto emerge da uno studio condotto da alcuni ricercatori dell’istituto Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) di Zurigo che ha permesso di studiare come tali nuclei galattici e i buchi neri influenzino la formazione e l’evoluzione dell’ambiente che li ospita. I risultati di questo studio sono pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Sappiamo che i buchi neri supermassicci attraggono il gas circostante grazie alla loro intensa forza di gravità. Man mano che il gas orbita attorno al buco nero formando un disco di accrescimento, esso diventa progressivamente sempre più caldo ed inizia ad irradiare. Questo fenomeno dà luogo ad un nucleo galattico attivo o AGN (Active Galactic Nucleus). Questi oggetti spesso possono raggiungere la luminosità di centinaia di miliardi di stelle. Ad esempio, nel cuore della Via Lattea risiede un buco nero (Sagittarius A*) che, secondo alcuni studi, si è comportato come un vero e proprio AGN circa qualche milione di anni fa.
Lo strano oggetto denominato “Hanny’s Voorwerp” (verde, in basso) si è trovato nello stato ‘off’ circa 200 mila anni fa. In alto, è visibile la galassia a spirale IC 2497. Credit: NASA, ESA, W. Keel, Galaxy Zoo Team
I ricercatori dell’istituto ETH di Zurigo, guidati da Kevin Schawinski che è anche l’autore principale dello studio, riportano nel loro articolo un dato importante: gli AGN non brillano in maniera permanente, piuttosto essi ricordano lo “sfarfallio” di una lampada. In altre parole, secondo gli autori, un AGN “si accende e si spegne” ogni circa 200 mila anni, un risultato che si basa sui loro dati osservativi. Gli AGN emettono radiazione su tutto lo spettro elettromagnetico, dai raggi X alle onde radio, perciò i telescopi possono catturare i raggi X che si originano nelle immediate vicinanze del nucleo attivo e possono inoltre registrare la luce visibile, anche se con un certo ritardo. È un po’ come avere a che fare con una lampada a gas che non brilla immediatamente dopo che è stata accesa. Ora, la luce visibile non proviene dal nucleo galattico ma è dovuta al gas distribuito nello spazio interstellare della galassia. Gli atomi del gas vengono stimolati dalla radiazione del nucleo galattico attivo ad emettere luce in un modo ben specifico. Il ritardo è dovuto al tempo necessario alla luce per raggiungere l’estremità della galassia e accendere “la lampada a gas galattica”. Prima che ciò avvenga, il nucleo galattico si trova in uno stato di spegnimento apparente, almeno se parliamo in termini di luce visibile, e durante questa fase emette raggi X.
L’analisi dei dati suggerisce che circa il 5% dei nuclei galattici attivi osservati dagli autori del presente studio sembra trovarsi nello stato “off”. Ciò significa che nonostante tali oggetti siano stati rivelati dai telescopi che operando in banda X, essi non irradiano luce visibile tipica di una “lampada a gas galattica”. Dunque, gli scienziati hanno concluso che se davvero il 5% di tutti gli AGN osservati non emette luce visibile, l’apparente stato di spegnimento rappresenta il 5%, o 1/20, della durata totale relativa alla “fase luce-oscurità” di un AGN. Detto in altro modo, è un po’ come scattare la foto di una persona ogni giorno della sua vita. Alla fine, ci troviamo più foto degli anni da adulto più che di quelle relative all’adolescenza, che dura meno nel corso della vita. Di fatto, i ricercatori erano già a conoscenza da studi precedenti che lo stato “off” di un AGN può essere paragonato agli anni dell’adolescenza di una persona che, in questo caso, risulta approssimativamente dell’ordine di 10 mila anni. Questa è la quantità di tempo necessaria alla luce per attraversare una galassia normale.
Schema del ciclo vitale di un AGN. Una volta che il buco nero inizia ad accrescere la materia circostante (a), il motore centrale emette raggi X, anche se la regione più estesa non viene ancora illuminata. Una volta che il nucleo attivo ha fotoionizzato il mezzo interstellare della galassia, l’AGN diventa visibile come un “normale nucleo galattico attivo” (b) caratterizzato dall’emissione X nucleare. Quando il buco nero non accresce più materia, il nucleo non emette più raggi X (c) e gli echi luce della fase AGN possono si propagano attraversando la galassia fino a raggiungere le riserve di gas più esterne: a questo punto si forma un oggetto di tipo Voorwerpje. Questo ciclo si può ripetere molte volte contribuendo all’evoluzione del buco nero centrale. Credit: Schawinski K. et al. 2015
Questi risultati hanno portato alla conclusione secondo cui la fase completa di un nucleo galattico attivo, cioè la vita media nel caso di una persona, dura mediamente 20 volte di più, cioè circa 200 mila anni. “Si tratta di un risultato importante che ci permette di comprendere come un AGN influenzi la sua galassia ospite”, dice Schawinski. Gli astrofisici sanno già che un nucleo galattico attivo è in grado di accumulare il gas nel corso di diversi miliardi di anni. Ad ogni modo, nessuno era stato in grado di capire se un AGN accumulasse abbastanza gas in questo periodo per emettere una radiazione significativa. “Ora sappiamo che la luce emessa da un AGN assomiglia a quella di una lampadina a risparmio energetico, dove è presente una sorta di sfarfallio con un periodo di on-off pari a circa 20 millisecondi”, prosegue Schawinski. In confronto alle centinaia di milioni di anni durante i quali il nucleo di una galassia rimane attivo, 200 mila anni rappresentano davvero un periodo molto breve.
Infine, quali sono le conseguenze sulla formazione stellare? “Questi 200 mila anni devono essere visti come una sorta di approssimazione e si tratta di un valor medio statistico”, continua Schawinski. Ciò significa che la fase on-off di un AGN potrebbe durare più a lungo per una determinata galassia piuttosto che per un’altra, ma l’intervallo di tempo dovrebbe essere di diverse centinaia di migliaia di anni per tutte le galassie. Questo limite temporale potrebbe perciò far luce su come i nuclei galattici attivi intervengono nell’ambito della formazione dell’ambiente galattico. Ad esempio, è possibile che la radiazione emessa da un AGN possa riscaldare una nube di gas che sta collassando, da cui nasceranno le stelle. Questo processo di riscaldamento potrebbe ritardare o addirittura prevenire il collasso della nube di gas e quindi ostacolare la formazione stellare. Comunque sia, il nucleo galattico attivo deve rimanere alquanto luminoso per parecchio tempo affinchè ciò accada. “Grazie alla stima della durata della fase on-off di un AGN, oggi abbiamo fatto un passo avanti per rispondere, almeno in parte, a questa domanda”, conlcude Schawinski.
MNRAS: Schawinski K. et al. 2015 – Active galactic nuclei flicker: an observational estimate of the duration of black hole growth phases of 105 years