Immagine artistica dell’oggetto polveroso a forma di ciambella che circonda il buco nero super massiccio, del disco di materiale in orbita attorno al buco nero e dei getti di materiale espulsi dal disco, al centro di una galassia. Crediti: Bill Saxton, Nrao / Aui / Nsf
Gli astronomi hanno utilizzato il Karl G. Jansky Very Large Array (Vla) della National Science Foundation per realizzare la prima immagine della ciambella di polvere che circonda il buco nero super massiccio al centro di una delle più potenti radiogalassie dell’universo, Cygnus A. I risultati dello studio saranno pubblicati su Astrophysical Journal Letters. La ciambella in questione, più propriamente chiamata toro, è una caratteristica fondamentale di queste sorgenti extragalattiche, postulata dai teorici quasi quattro decenni fa.
Gli scienziati hanno studiato nel dettaglio Cygnus A, una galassia a circa 760 milioni di anni luce dalla Terra, che nel suo nucleo ospita un buco nero 2.5 miliardi di volte più massiccio del Sole. La fortissima attrazione gravitazionale esercitata dal buco nero, oltre ad attirare il materiale circostante, proietta verso l’esterno getti di materiale a velocità prossime a quella della luce, producendo spettacolari lobi di emissione radio molto luminosi.
Galassie con motori centrali alimentati da buchi neri che producono emissione luminosa a varie lunghezze d’onda e getti che si estendono ben oltre la galassia stessa, sono in realtà piuttosto comuni, ma osservandole presentano in realtà proprietà piuttosto diverse. Tali differenze osservative hanno portato a una varietà di nomi per questi oggetti, come quasar, blazar o galassie di Seyfert. Per spiegare le differenze osservate, i teorici hanno costruito un modello unificato in grado di spiegare le proprietà di questi oggetti, apparentemente diversi, partendo dal presupposto che lo stesso tipo di oggetto sia osservato da diversi punti di vista.
Il modello unificato prevede un buco nero centrale, un disco rotante di materiale che confluisce nel buco nero e getti perpendicolari al disco, che si spostano verso l’esterno lungo i poli del disco stesso. Inoltre, per spiegare perché lo stesso tipo di oggetto appaia diverso se visto da diverse angolazioni, è stata suggerita la presenza di un toro di polvere che circonda le parti interne, la cui forma ricorda quella di una ciambella. Se l’oggetto viene visto lateralmente, il toro è in grado di oscurarne alcune caratteristiche, portando a differenze apparenti anche per oggetti che di fatto sono intrinsecamente simili. Gli astronomi chiamano genericamente questi oggetti nuclei galattici attivi o Agn (active galactic nucleus).
«Il toro è una parte essenziale di un Agn e ne abbiamo effettivamente riscontrato l’esistenza in Agn vicini di bassa luminosità. Tuttavia non ne abbiamo mai visto direttamente uno in una radiogalassia così brillante», ha affermato Chris Carilli, del National Radio Astronomy Observatory (Nrao). «Il toro aiuta a spiegare perché oggetti conosciuti con nomi diversi in realtà sono la stessa cosa: sono semplicemente osservati da una prospettiva diversa».
Immagine del Vla della regione centrale della potente radio galassia Cygnus A, che mostra il toro a forma di ciambella che circonda il buco nero e il disco di accrescimento. Credito: Carilli et al., Nrao / Aui / Nsf
Ma vediamo come si è arrivati al modello unificato degli Agn, attraverso la storia.
Negli anni ’50, gli astronomi scoprirono oggetti che emettevano forti onde radio, che quando in seguito vennero osservati nel visibile con i telescopi, apparvero puntiformi, simili a stelle lontane. Nel 1963, Maarten Schmidt del Caltech scoprì che uno di questi oggetti era estremamente distante, e alla sua scoperta ne seguirono molte altre, del tutto analoghe. Per spiegare come questi oggetti, chiamati quasar (QUASi-stellAR radio source), riescano ad essere così luminosi, i teorici hanno suggerito la presenza di un buco nero super massiccio dal quale attingono energia. La combinazione di buco nero, disco rotante – chiamato disco di accrescimento – e getti è stata definita motore centrale di questi oggetti, responsabile della loro elevata luminosità. Lo stesso tipo di motore centrale è stato utilizzato per spiegare l’emissione di altri tipi di oggetti, incluse radio galassie, blazar e galassie di Seyfert. Tuttavia, ogni oggetto ha mostrato un diverso insieme di proprietà. I teorici hanno allora lavorato allo sviluppo di uno schema di unificazione per spiegare come la stessa cosa potesse apparire in modo diverso. Nel 1977, è stato suggerito come la presenza di un toro di polvere potesse essere un elemento di tale schema, capace di oscurare zone dell’oggetto e mascherare alcune sue proprietà. In un articolo del 1982, Robert Antonucci, dell’Università della California, Santa Barbara, ha presentato un disegno di un toro opaco – un oggetto a forma di ciambella – che circonda il motore centrale. Da quel momento, per gli astronomi il toro di polvere è diventata una caratteristica comune di tutti i tipi di nuclei galattici attivi.
Stessa immagine di prima di Cygnus A, con indicata la descrizione delle varie parti della sorgente. Crediti: Carilli et al., Nrao/Aui/Nsf
«Cygnus A è l’esempio più vicino di potente galassia che emette radio, dieci volte più vicina di ogni altro oggetto con emissioni radio altrettanto potenti. Questa vicinanza ci ha permesso di vedere, in un’immagine del Vla ad alta risoluzione del nucleo della galassia, il suo toro di polvere», ha detto Rick Perley, anche lui del Nrao. «Per poter osservare nello stesso modo oggetti più deboli e più distanti occorrerà quasi certamente migliorare di ordini di grandezza la sensibilità e la risoluzione degli strumenti, cosa che il Very Large Next Generation si propone di fare», ha aggiunto.
Immagine composita di Cygnus A, così chiamato perché è l’oggetto radio più potente nella costellazione del Cigno. Fu scoperto nel 1946 dal fisico inglese e radioastronomo J.S. Hey. La controparte ottica è una galassia gigante, trovata da Walter Baade e Rudolf Minkowski nel 1951. È diventato ben presto un obiettivo per il Vla, poco dopo il suo completamento nei primi anni ’80. Immagini Vla dettagliate di Cygnus A pubblicate nel 1984 hanno prodotto importanti progressi nella comprensione degli astronomi di tali galassie. Crediti: Chandra/Hubble/VLA.
Le osservazioni effettuate con il Vla hanno rivelato direttamente il gas nel toro di Cygnus A, che ha un raggio di circa 900 anni luce. I modelli suggerivano che la polvere, all’interno del toro, fosse raccolta in nubi. «È veramente impressionante avere finalmente prove dirette di qualcosa che a lungo si è pensato esistesse», ha detto Carilli. «Per determinare con maggiore precisione la forma e la composizione di questo toro, dobbiamo fare ulteriori osservazioni. Ad esempio, l’Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (Alma) è in grado di osservare a lunghezze d’onda che rivelano direttamente la polvere», ha aggiunto.
Carilli e Perley, con il loro colleghi Vivek Dhawan, del Nrao, e Daniel Perley della Liverpool John Moores University nel Regno Unito, hanno scoperto il toro di Cygnus A quando, nel 2016, stavano facendo la loro famosa e sorprendente scoperta di un nuovo oggetto luminoso vicino al centro di Cygnus A. Quel nuovo oggetto molto probabilmente non è altro che un secondo buco nero super massiccio che solo recentemente ha trovato nuovo materiale da divorare, facendogli produrre un’emissione luminosa della stessa entità di quella prodotta dal buco nero centrale. L’esistenza del secondo buco nero suggerisce che Cygnus A si sia fuso con un’altra galassia in un passato astronomicamente recente.
Per saperne di più:
- Leggi il preprint dell’articolo “Imaging the AGN Torus in Cygnus”, di C.L. Carilli, R.A. Perley, V. Dhawan e D.A. Perley
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