Lo studio dei quasars per studiare la storia e la composizione dell’Universo, ma soprattutto le distanze cosmologiche. La nuova tecnica, che si basa su una relazione tra la luminosità di un quasar nelle lunghezze d’onda dei raggi X e degli ultravioletti, è stata messa a punto da due ricercatori italiani, Guido Risaliti, già dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Arcetri ora all’Università di Firenze e Elisabeta Lusso, assegnista di ricerca presso Arcetri. Il loro lavoro è stato pubblicato su The Astrophysical Journal.
I quasars consentono di studiare il fortissimo campo gravitazionale dei buchi neri supermassicci e, inoltre, confrontando le proprietà dei quasar con quelle di altre galassie che ospitano buchi neri, è possibile rileevare aspetti interessanti circa l’evoluzione delle galassie.
Ma un altro aspetto ha suscitato l’interesse dei due astronomi di Arcetri: la possibilità di usare i quasars come “candele standard” per misurare la storia dell’espansione dell’Universo. «La storia dell’espasione cosmica ha in sé una ricchezza di informazioni sulla vita dell’Universo, per questo abbiamo bisogno di osservare sorgenti astronomiche in una vasta gamma di distanze da noi», spiega Guido Risaliti. «Determinare le distanze nell’Universo non è affatto banale e può essere fatto solo con un paio di classi di fonti. In questo studio si mostra come si può fare anche con quasars», aggiunge.
L’ostacolo principale per misurare le distanze di oggetti astronomici è la nostra incapacità di rivelarne la vera luminosità, se questa, cioé, sia intrinseca all’oggetto cosmico o sia dovuta alla sua vicinanza. Per le stelle relativamente vicine nella nostra Galassia, gli astronomi possono ottenere una misura molto precisa delle distanze utilizzando il metodo della parallasse – il piccolo spostamento apparente della posizione di una stella nel cielo visti da diversi punti dell’orbita terrestre. Tuttavia, maggiore è la distanza minore la parallasse, che limita la portata di questo metodo al nostro vicinato cosmico locale.
Per determinare distanze più lontane, gli astronomi devono fare affidamento sulle cosiddette “candele standard”, le supernove di tipo Ia. «Le supernovae di tipo Ia sono uno strumento potente per la cosmologia, ma non possono essere osservate a distanze molto grandi da noi. Per questo sono in gran parte utilizzate per sondare la storia relativamente recente dell’Universo», dice il co-autore Elisabeta Lusso. «Questo è il motivo per cui si consiglia di integrare alle supernovae di tipo Ia l’osservazione dei quasars, che possono essere osservati in grandi quantità e a distanze molto maggiori, fino a giungere all’epoca in cui l’Universo aveva solo miliardo anni di età», aggiunge.
Per determinare a quale misura i quasars sono distanti da noi, Risaliti e Lusso hanno usato una proprietà interessante di queste fonti: la relazione tra la quantità di luce che emettono nella lunghezza d’onda dei raggi X e degli ultravioletti. Entrambi le tipologie di emissione derivano dall’attività del buco nero, anche se sono causate da processi differenti. Il punto chiave alla base dell’applicazione di questa relazione alla cosmologia, è che il collegamento tra le luminosità alle due diverse lunghezze d’onda non è lineare. Ciò significa che il rapporto tra l’emissione di raggi X e ultravioletti misurata in un quasar non è fisso, ma varia – in modo noto – a seconda della luminosità ultravioletta stesso. Così, misurando a raggi X e ultravioletti l’emissione di un quasar gli scienziati possono stimare la luminosità assoluta a lunghezze d’onda ultraviolette; a sua volta, questo dato può essere utilizzato per misurare la distanza del quasar.
Sebbene il meccanismo fisico alla base di questa relazione non sia chiaro, Risaliti e Lusso se ne avvalgono per utilizzare i quasars come candele standard e impiegarli come indicatori di distanza per gli studi cosmologici. Per farlo, hanno compilato un datebase pilota di quasar con entrambe le misurazioni: ultravioletti e raggi X, che contiene 1138 fonti diverse. «In primo luogo, abbiamo verificato che la relazione tra la luminosità ultravioletta e raggi X vale per quasars osservati in qualsiasi epoca cosmica: questa è una condizione essenziale se vogliamo trattarli come sonde cosmologiche», spiega Risaliti.
«I quasar sono uno strumento meno preciso per misurare le distanze cosmologiche di quanto lo siano le supernove di tipo Ia, ma si ottengano informazioni supplementari sull’evoluzione dell’Universo distante che sarebbero inaccessibili con le solo osservazioni di supernovae», dice Lusso.
La forza di questo nuovo approccio, infatti, sembra essere la combinazione di quasars e supernove di tipo Ia, che coprono 13 miliardi di anni di evoluzione cosmica, per studiare come l’Universo sia cambiato attraverso la maggior parte della sua storia. Inoltre, combinando i dati dalle indagini correnti di entrambe le tipologie di fonti, si producono vincoli alla relativa abbondanza di materia e energia oscura, più precisi di quelli ottenuti dalle sole supernovae.