Quasi-stellar radio source

I quasar sono gli oggetti celesti più lontani che conosciamo, possiamo immaginarli come una sorta di fari che brillano ai confini dell'universo. La loro emissione è sempre molto intensa e presenta un elevato red-shift ( spostamenti spettrali verso il rosso ) che ne indica la natura cosmologica. La luce dei quasar viene assorbita da diversi corpi celesti ( galassie, nebulose, gas di spazi intergalattici, ... ) prima di giungere fino alla Terra. Il modo in cui la luce dei quasar viene assorbita ci dà indicazione sugli oggetti cosmici che esistono lungo il percorso della sua radiazione.

COME SONO STATI SCOPERTI ?

Dopo la seconda guerra mondiale potenti radiotelescopi hanno permesso di individuare accanto alla radiazione di fondo, che giunge sulla terra da tutte le direzioni dello spazio, delle sorgenti radio " discrete ": cioè ben definite nello spazio e con intensità di radiazione nettamente superiore a quella di fondo. Tuttavia mancava l'identificazione di una natura ottica di questi potenti emettitori di onde radio e per tale ragione furono erroneamente interpretati come sorgenti oscure localizzate all'interno della nostra galassia. Soltanto nel 1960 dal lavoro integrato di Maarten Schmidt e Tom Matthews, in soli due anni furono identificate cinque sorgenti radio con altrettanti deboli oggetti luminosi: mentre Matthews determinava con estrema accuratezza la posizione delle principali radiosorgenti Schmidt ne ricercava la controparte ottica per mezzo del telescopio di Monte Palomar ( i tempi di esposizione necessari ad impressionare le lastre fotografiche erano di 5 - 10 ore ). Una tra queste cinque sorgenti luminose, il 3C273, grazie all'occultazione lunare dell'aprile 1962 era stato osservato nel radio con un elevato grado di risoluzione: furono individuate due componenti separate di alcune decine di secondi d'arco corrispondenti a livello ottico, sulla lastra fotografica, a due getti di materia allungati e debolmente luminosi. Tra di essi Schmidt notò una stellina di tredicesima magnitudine e pensò ad una tipica stella di campo capitata nella direzione di osservazione. Lo spettro di questa però non corrispondeva minimamente a quello di una qualsiasi stella, le righe misteriose di questo spettro coincidevano con quelle dello spettro dell'idrogeno considerato un red-schift di 0.16, cosa impossibile per una stella di tredicesima magnitudine.

E' così che è stato scoperto il primo quasar!

IMPORTANZA DEI QUASAR IN COSMOLOGIA

Quasar e soprattutto lo loro collocazione ai confini dell'universo ha La scoperta dei messo in crisi la "teoria dello stato stazionario" che dominava negli anni cinquanta sessanta. Come spiegare infatti la presenza di questi oggetti in zone remote quando completamente assenti in prossimità della nostra galassia? In un universo così simmetrico, invariabile nel tempo e nello spazio una simile eterogeneità non può indubbiamente essere compresa e spiegata. Così se i dati osservativi sull'espansione dell'universo, già all'ora rilevati, erano stati adattati alla teoria della stazionarietà ipotizzando una continua e spontanea creazione di materia (unico modo perché la densità media del cosmo si mantenesse costante) l'esistenza e localizzazione dei quasar solo a grandi distanze indicava senza dubbio che l'universo lontano è diverso e più vecchio da quello attuale. I quasar sono un utile strumento per esplorare lo stato della materia intergalattica. La luce proveniente dal quasar per arrivare alla Terra deve attraversare galassie, nebulose, .. Durante tale viaggio la materia presente assorbe parte della radiazione luminosa così dall'analisi delle lunghezze d'onda mancanti nello spettro del quasar si identifica la natura della materia stessa. Poichè l'assorbimento dipende anche dalla densità della materia si definiscono la consistenza degli oggetti cosmici incontrati. Nello spazio intergalattico la densità è così bassa da trascurare gli urti con cui normalmente la materia disperde l'energia assorbita(questo è quello che avviene nelle galassie in cui c'è maggiore densità), le molecole eccitate dalla radiazione proveniente dal quasar possono solo riemettere il fotone assorbito o più fotoni a frequenze più basse (diseccitazione per stadi successivi). Nel primo caso si ha una variazione nella direzione di provenienza della luce (scattering risonante), nel secondo si parla di fluorescenza dovuta alla conversione di fotoni ad alta energia in fotoni a bassa energia. Osservando da una grande distanza una sorgente luminosa puntiforme con interposizione di una nube di molecole o atomi lo scattering diminuisce il numero di fotoni diretti verso l'osservatore e l'effetto è del tutto simile ad un assorbimento; questo è ciò che accade con i quasar e in questo senso essi sono utili per lo studio della natura delle nubi intergalattiche. Sulla base delle righe di "assorbimento", in realtà prodotte dallo scattering si sono formulate due ipotesi sulla natura delle nubi intergalattiche. La prima le individua come residui delle perturbazioni primordiali da cui avrebbero avuto origine le stesse galassie, come residui di ampiezza insufficiente per condensare in galassie; l'altra indica una loro formazione posteriore a quella delle galassie a seguito di fenomeni di turbolenza che hanno costretto gas residui in addensamenti incapaci di collassare in nuove galassie o di disperdersi. L'effetto lente gravitazionale ci consente di ricevere due o quattro immagini dello stesso quasar. Questo fenomeno fisico ci consente da un lato di esplorare le immediate vicinanze delle nubi intergalattiche (sembrano avere grandi dimensioni: uguali o maggiori della nostra galassia) e dall'altro di valutare l'età dell'universo. Come noto dalla Teoria della Relatività di Einstein lo spazio viene incurvato, distorto dalle forze di gravità delle stelle, galassie, buchi neri, .... Di conseguenza la luce viene deviata, proprio come nel passaggio attraverso una lente, e giunge fino a noi a tempi e angolazione diverse dando più immagine dello stesso quasar. Sappiamo che l'età e la densità dell'universo sono strettamente correlate al valore della costante di Hubble (proporzione tra velocità di allontanamento delle galassie e loro distanza dalla terra) che viene continuamente modificato da nuove osservazioni. Osservare lo sdoppiamento di un quasar per effetto di una lente gravitazionale è un metodo per il calcolo della costante di Hubble: i fasci di luce deviati, ad esempio dalla presenza di una galassia lungo il percorso quasar - Terra, giungono sfalsati rispetto ai fasci di luce che dal quasar, passando lontani dalla galassia, non ne risentono. Misurando lo sfasamento temporale della luce e l'intensità delle forze gravitazionali che lo determinano si può calcolare la costante di Hubble. Es.: la doppia immagine del Q 0957+561 ha uno sfasamento di 410 - 540 giorni; la costante di Hubble calcolata risulta pari a 30 - 70 e ne consegue un età dell'universo compresa fra i 33 e i 9 miliardi di anni. Per calcoli più precisi sono necessari molti dati e quindi lunghi tempi di osservazione che consentano di raccoglierli. La distribuzione degli spostamenti nell'ultravioletto dello spettro dei quasar ci permette di avere un'idea sulla struttura ed evoluzione del primo universo: i grandi red-schift non solo rendono gli spettri dei quasar unici rispetto a tutti gli altri oggetti astronomici, ma interpretandoli come conseguenza dell'espansione dell'universo (ipotesi cosmologica) ci fanno inequivocabilmente pensare ai quasar come oggetti estremamente lontani ed in questo senso essi costituirebbero una finestra sull'universo ai tempi di uno o due miliardi di anni dopo il big bang. In sostanza analizzando numero, larghezza e lunghezza d'onda delle linee di assorbimento si può avere un'idea dell'evoluzione del cosmo e della sua struttura.

IPOTESI COSMOLOGICA

Interpretare il red-schift come conseguenza dell'espansione dell'universo significa relazionare direttamente lo spostamento nell'ultravioletto con la distanza del quasar. In quest' ottica i quasar sarebbero oggetti estremamente lontani. Questa ipotesi è facilmente comprensibile se si pensa che già settanta anni fa con i primi grandi telescopi si era rivelata la tendenza della luce di galassie lontane ad essere spostata nell'ultravioletto dello spettro. Quindi come per le galassie maggiore è la lontananza tanto più grandi sono il red-schift e la velocità di allontanamento, anche per i quasar gli enormi spostamenti nel rosso sono diretta conseguenza della grandissima distanza. Tuttavia la straordinaria luminosità unita alla variabilità nel breve periodo (giorni) di questi oggetti ha permesso la formulazione di un' ipotesi secondo cui i quasar sarebbero relativamente vicini. Tale ipotesi conosciuta come ipotesi "Doppler-locale" suggerisce che i quasar siano oggetti scagliati fuori dal centro della nostra galassia ad alta velocità: il red-schift sarebbe diretta conseguenza dell'effetto Doppler e gli oggetti in questione avrebbero origine locale; in termini di distanze anzichè di miliardi si tratterebbe di pochi milioni di anni luce per cui l'energia realmente emessa sarebbe molto minore. Ma come spiegare che tutti i quasar osservati siano stati espulsi dalla nostra galassia? In sostanza perchè le galassie nelle nostre immediate vicinanze non si sono comportate nello stesso modo? Non sono mai stati trovati quasar che si dirigano verso di noi(avrebbero uno spostamento della luce nel blu). Un'ipotesi più plausibile è quella secondo cui i quasar sarebbero oggetti di enorme massa compressa in un volume piccolissimo. La luce per fuoriuscire da simili oggetti dovrebbe avere una elevata energia gravitazionale e ciò spiegherebbe il red-schift. Le masse necessarie perchè si verifichi un simile fenomeno (calcolate sulla base delle righe spettrali di alcuni quasar) sarebbero così enormi da dover ipotizzare delle distanze tra gli stessi quasar di almeno un miliardo di anni luce perchè la densità del cosmo si mantenga costante. Secondo quanto detto l'ipotesi più plausibile sembra essere proprio quella cosmologica, il fatto che oggi non si riesca a spiegare l'enorme emissione di energia unitamente ad una fluttuazione nel breve periodo ( problema che si ritrova anche per le galassie di tipo N e quelle di Seyfert ) non ci autorrizza a mettere in discussione le caratteristiche e la distanza dei quasar (proprio come non mettiamo in discussione la distanza delle sopra citate galassie).

LO SPETTRO DEI QUASAR E NUOVE CONOSCIENZE SUL PRIMO UNIVERSO

Lo spettro dei quasar è caratterizzato da righe di idrogeno ed altri elementi come azoto, ossigeno, carbonio variamente spostate nell'ultravioletto. Queste righe di emissione, solitamente intense, si presentano tal volta piuttosto larghe e ciò è indice di elevate velocità dei gas che circondano il quasar stesso (fino a 10000 Km/sec). Le intensità delle righe rilevano calori dei gas nettamente superiori a quelli delle normali nebulose e come la sorgente irradiante al centro del quasar sia differente da una normale stella. Caratteristica fondamentale è la riga Lyman-alfa dell'idrogeno atomico che si trova spostata di volta in volta di diversi red-schift: si tratta della riga più intensa dello spettro e quindi è quella più facilmente rivelata sulle lastre fotografiche di Schmidt. Lo spostamento verso il rosso noto come valore Z (Z è dato dalla lunghezza d'onda osservata per una certa riga meno la lunghezza d'onda dell'elemento corrispondente non deviata nel rosso o l. d'onda di riposo , il tutto diviso per la l. d’onda di riposo) è usato come riferimento per determinare il tempo di viaggio della luce giunta fino a noi. Il concetto di universo in espansione implica infatti che un oggetto con un grande spostamento verso il rosso venga visto com'era molto tempo fa, Z d'altro canto è anche misura diretta del fattore di espansione: "la luce di un quasar con un red-schift pari a tre è stata emessa circa 15 miliardi di anni fa e a quel tempo l'universo era grande un quarto di come lo è adesso". Verso la fine degli anni settanta Schmidt rilevò un'interessante proprietà dei quasar lontani e cioè che essi sono molto più numerosi rispetto a quelli nelle nostre "vicinanze", ciò suggerisce che qualunque sia il processo di "nascita" dei quasar questo sia stato particolarmente attivo nel giovane universo e che oggi sia praticamente ridotto a zero.

ESISTE UN LIMITE NELLO SPOSTAMENTO VERSO IL ROSSO ?

L'esistenza di un limite nello spostamento verso il rosso indicherebbe un muro temporale di esplorazione del passato dell'universo. Il quasar più lontano finora individuato è il QQ 172; scoperto nel 1973 presenta uno spostamento verso il rosso di 3.53. L'assenza di oggetti con spostamenti maggiori in sostanza indicherebbe che gli astronomi sono giunti ad esplorare i confini dell'universo e la più remota epoca di formazione dei quasar. Ho detto indicherebbe per il fatto che tutt'oggi si dibatte ancora su quanto questo limite sia reale o apparente, cioè dovuto a metodi e strumenti di indagine osservativa del cosmo insufficienti ad andare oltre... Ad esempio in corrispondenza di uno Z pari a 3.53 potrebbe esserci uno schermo assorbente di polveri che impedisce l'osservazione di quasar più lontani. E se il limite fosse reale? Come potremmo spiegare l'eterogeneità dell'universo nel corso del tempo? Se supponiamo che i quasar abbiano avuto origine come processi energetici dal cuore delle galassie come correlare i due eventi: formazione delle galassie e "nascita" dei quasar? Per tutte queste domande non ci sono che spiegazioni ipotetiche: la logica ci suggerisce che i quasar si siano formati, in base allo Z di 3.53, 15 miliardi di anni fa (come non lo sappiamo, forse in una grande esplosione). Combinando gli spostamenti verso il rosso con le posizioni dei quasar se ne ottiene un quadro tridimensionale che ci dà notizie sulla struttura dell'universo tra i 13 e i 15 miliardi di anni fa. La distribuzione delle galassie non è affatto omogenea: si identificano piccoli gruppi, grandi ammassi e regioni del cielo relativamente o totalmente vuote. I dati di cui disponiamo oggi indicano che nei primi stadi di formazione dell'universo la materia era essenzialmente in forma gassosa. Sulla base di quanto detto potremmo immaginare la formazione di stelle, galassie, ammassi di galassie come il frutto di una condensazione iniziale di gas che raggiunta un autogravità sufficiente ha collassato su se stessa. Molti calcoli infatti indicano che una volta che un corpo gassoso ha iniziato il collasso si ha immediata caduta di materia verso il centro e rapido aumento della densità. Se supponiamo che la materia in caduta fosse di dimensioni galattiche è abbastanza naturale immaginare la formazione di un quasar come un getto di materia in fuga nel centro della stessa galassia. in questo caso dovremmo trovare una collinearità tra distribuzione delle galassie e quella dei quasar. Se diversamente pensiamo alla formazione di quest'ultimi in modo del tutto indipendente dalle galassie le loro distribuzioni potrebbero essere diverse. I dati attualmente disponibili non ci consentono di tracciare uno schema fondamentale di distribuzione. L'impiego dei quasar nello studio dell'universo, della sua storia e struttura ha appena iniziato a darci le prime risposte. Restano tuttavia aperte molte ipotesi sulla loro origine, distribuzione e distanza da poter rimettere in gioco ogni cosa. Abbiamo tanti dati e molti altri ne dovranno essere raccolti prima di poter formulare univoca teoria sulla loro esistenza che possa dar maggior forza a tutte le conoscenze che da essi, abbiamo visto, possono derivare.