Rappresentazione schematica dei processi di assorbimento (riquadro giallo, in alto) ed emissione stimolata (riquadro arancione, in basso). Nel primo caso il fotone interagisce con gli elettroni nello stato ad energia minore e viene assorbito. Nel secondo caso il fotone interagisce con gli elettroni che si trovano nello stato eccitato e a seguito di questa interazione viene emesso un altro fotone, con la stessa frequenza del primo. Crediti: Wikimedia Commons, Media Inaf
Il termine maser è l’acronimo di “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” e solitamente indica un dispositivo di laboratorio in grado di amplificare la radiazione elettromagnetica attraverso il processo di emissione stimolata (vedi schema a fianco, riquadro in basso). I maser operano sulla base degli stessi principi fisici dei più comuni laser, con la differenza che la radiazione elettromagnetica prodotta cade nella banda delle microonde anziché della luce visibile. Contrariamente a quello che accade sulla Terra, dove questo fenomeno richiede particolari strumenti e accorgimenti per essere realizzato, nello spazio interstellare, a causa delle bassissime densità (103-109 cm-3 contro 1022 cm-3 sulla Terra), esistono le condizioni necessarie affinché avvenga naturalmente: abbiamo così i maser astronomici, che sono sorgenti naturali di emissione stimolata.
Il primo maser astronomico fu scoperto da Harold Weaver e collaboratori nel 1965, in direzione di alcune regioni di idrogeno ionizzato nella nostra galassia. Le righe di emissione osservate avevano delle caratteristiche così insolite che all’inizio furono attribuite a una nuova molecola chiamata “mysterium”. Soltanto alcuni anni più tardi furono interpretate come amplificazione maser da parte della molecola dell’OH (ossidrile). Dopo questa scoperta, emissione maser da diverse molecole (oltre all’OH, l’acqua, il metanolo, il monossido di silicio, e l’ammoniaca, per citare le più comuni) è stata osservata in una grande varietà di ambienti astrofisici nella Via Lattea e nelle altre galassie.
I maser astronomici possono essere estremamente brillanti e compatti. Questa caratteristica rende possibile osservarli con la tecnica della Very Long Baseline Interferometry (Vlbi), permettendo di ottenere, nelle immagini radio, risoluzioni angolari inferiori al millesimo di arcosecondo. Se l’occhio umano avesse lo stesso potere risolutore, queste parole potrebbero essere lette ad una distanza maggiore di 1000 km! Tramite i maser possiamo quindi distinguere dettagli molto piccoli della struttura delle sorgenti celesti che li emettono. Inoltre, lo spostamento della frequenza dovuto al moto del gas emittente (effetto Doppler), ci permette di risalire alla velocità lungo la linea di vista, dandoci una visione “3D” della cinematica del gas.
La distanza del maser più lontano finora trovato, prodotto dalle molecole dell’H2O nella lente gravitazionale Mgj0414+0534, è di 11 miliardi di anni luce
Studi in corso e domande aperte
I maser giocano un ruolo di primo piano nello studio dell’evoluzione stellare, soprattutto nelle primissime e ultime fasi della vita di una stella. In particolare, studi Vlbi di sorgenti maser permettono l’osservazione della struttura e della cinematica del gas e dei campi magnetici attorno alle protostelle sino a distanze di un’unità astronomica (la distanza media Terra-Sole), fornendo un contributo fondamentale alla comprensione del dibattuto processo di formazione delle stelle di grande massa.
Attraverso l’osservazione di maser dell’acqua e del metanolo associati alle regioni di formazione stellare della nostra galassia, è inoltre possibile studiare la struttura a spirale della Via Lattea e la sua cinematica. Studi di maser dell’acqua in regioni di formazione stellare extragalattiche, invece, permettono di ricostruire il vettore velocità tridimensionale delle galassie ospiti, fondamentale per la determinazione del potenziale gravitazionale di gruppi o ammassi di galassie. Studi di questo tipo sono stati compiuti per le galassie M33 e IC10 del Gruppo Locale (di cui fa parte anche la Via Lattea) e in futuro potrebbero essere estesi anche alla galassia di Andromeda.
Modello del disco di accrescimento nella galassia Ngc 4258 ricavato dall’osservazione dei maser dell’acqua. I cerchietti colorati rappresentano la distribuzione dei maser. I colori indicano lo spostamento della frequenza dovuto alla rotazione del disco (verde: nessuno spostamento; rosso: i maser si allontanano da noi; blu: i maser si avvicinano a noi). Il cerchietto nero indica la posizione del buco nero supermassivo, mentre è rappresentata in scala di colori l’emissione radio del getto di plasma che fuoriesce lungo l’asse di rotazione del disco. Crediti: James Herrnstein, et. al., Nrao/Aui,Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
Infine, i maser dell’acqua extragalattici associati ai dischi di accrescimento nei nuclei galattici attivi (Agn), sono attualmente l’unico strumento che abbiamo per mappare il gas a meno di un anno luce dai buchi neri. Il loro studio permette di ricostruire la geometria dei dischi e di stimare la massa dinamica da essi racchiusa, una grandezza importante non solo per lo studio della fisica degli Agn ma anche per la comprensione del ruolo dei buchi neri supermassivi nell’evoluzione delle galassie che li ospitano. È inoltre possibile, tramite le osservazioni di questo tipo di maser, determinare la distanza delle galassie con un metodo interamente geometrico, e persino determinare il valore della costante di Hubble, H0, con una precisione tale da porre dei limiti sull’equazione di stato della dark energy, distinguendo così tra le diverse teorie sull’espansione dell’universo.
Il coinvolgimento dell’Istituto nazionale di astrofisica
Gli scienziati dell’Inaf sono coinvolti in vari aspetti della scienza legata ai maser (vedi, per esempio, il Symposium Iau 2017 sul tema, in Sardegna). Inoltre, l’Italia ospita uno dei più grandi radiotelescopi europei, il Sardinia Radio Telescope, che, con i suoi 64 metri di diametro, si candida a dare un contributo determinante a questo tipo di scienza, sia come antenna singola che in rete Vlbi.
L’autrice: Paola Castangia è ricercatrice Inaf all’Osservatorio astronomico di Cagliari.
Su Media Inaf potrai trovare, mano a mano che verranno pubblicate, tutte le schede della rubrica dedicata a Voci e domande dell’astrofisica, scritte dalle ricercatrici e dai ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica.