I quasar sono tra gli oggetti più luminosi dell’universo conosciuto. Si trovano nei nuclei di galassie distanti e sono alimentati da buchi neri supermassicci. Il gas si muove a spirale in questi buchi neri ad alta velocità. L’attrito genera enormi quantità di luce. Alcuni quasar eclissano ogni stella della loro galassia natale. Questa luminosità consente agli astronomi di vederli da miliardi di anni luce di distanza.
Cos’è esattamente un Quasar?
Un quasar è una regione compatta al centro di una galassia. Emette enormi quantità di energia. Questa energia proviene dall’accrescimento. La materia cade in un buco nero supermassiccio. Il processo rilascia più energia della fusione nucleare. Ciò rende i quasar incredibilmente luminosi. Sono sorgenti luminose puntiformi. I primi telescopi non riuscivano a risolverli. Sembravano stelle. Da qui il nome “sorgente radio quasi stellare”. Oggi sappiamo che non sono stelle. Sono nuclei galattici attivi.
Come sono stati scoperti i quasar?
I quasar furono identificati per la prima volta negli anni ’60. Gli astronomi hanno utilizzato i radiotelescopi per rilevare forti emissioni. Queste fonti non corrispondevano ad alcuna stella conosciuta. I loro spettri mostravano grandi spostamenti verso il rosso. Ciò indicava che erano molto lontani. Lo spostamento verso il rosso implicava enormi distanze. Eppure erano luminosi. Questo era sconcertante. Come può qualcosa finora essere così brillante? La risposta stava nel buco nero. La produzione di energia è stata immensa.
Perché i quasar sono importanti?
I quasar ci aiutano a comprendere l’universo primordiale. Esistono a grandi distanze. La luce dei quasar impiega miliardi di anni per raggiungerci. Li vediamo come erano nel passato. Ciò fornisce un’istantanea dell’universo giovane. I quasar rivelano anche la crescita dei buchi neri. Mostrano come si evolvono le galassie. L’interazione tra i buchi neri e le galassie che li ospitano è fondamentale. I quasar sono indicatori di questo processo.
Dove possiamo trovare i quasar?
I quasar si trovano nei centri delle galassie. Sono sparsi nel cielo. Telescopi come Hubble e James Webb li rilevano. Sono visibili nelle indagini sullo spazio profondo. Le loro posizioni aiutano a mappare l’universo. I quasar non sono vicini alla nostra Via Lattea. Sono distanti. Il quasar conosciuto più vicino è ancora lontano. Si trova a miliardi di anni luce dalla Terra.
Quali quasar sono i più luminosi?
Alcuni quasar sono eccezionalmente luminosi. Possono eclissare l’intera galassia ospite. Questo li rende visibili anche a distanze estreme. I quasar più luminosi hanno luminosità pari a trilioni di soli. Sono tra gli oggetti più distanti osservati. La loro luminosità consente uno studio dettagliato. Gli astronomi possono analizzare i loro spettri. Ciò rivela la composizione dell’ambiente circostante.
In che modo i quasar influenzano le galassie che li ospitano?
I quasar influenzano le galassie che li ospitano. La produzione di energia può spingere il gas fuori dalla galassia. Questo può fermare la formazione stellare. I quasar regolano la crescita delle galassie. Fanno parte di un ciclo di feedback. Buchi neri e galassie coevolvono. Lo studio dei quasar ci aiuta a comprendere questa relazione. È un’area chiave dell’astronomia moderna.
Il futuro della ricerca sui Quasar
Nuovi telescopi stanno migliorando la nostra visione. Il telescopio spaziale James Webb rileva quasar più deboli. Vede più indietro nel tempo. Ciò lo consente
Perché i quasar sembrano stelle (ma non lo sono)
Il nome deriva da un po’ di confusione astronomica. Negli anni ’50, i ricercatori scansionarono il cielo alla ricerca di segnali radio. La maggior parte delle sorgenti si allineavano con le galassie normali. Alcuni no.
Questi valori anomali si trovavano vicino al piano della Via Lattea. Sembravano deboli stelle blu. Alcuni avevano aloni sfocati. I telescopi non riuscivano a distinguerle dalle stelle normali a prima vista.
Quindi hanno preso un nome goffo. Sorgenti radio quasi stellari. Accorciato in quasar nel 1964.
L’etichetta si è attaccata. Descriveva il loro aspetto. Non quello che erano.
Il mistero degli aloni blu
Quegli aloni sfocati non erano solo rumore visivo. Alludevano a qualcosa di più grande. Qualcosa di più luminoso.
I quasar sono alimentati da buchi neri supermassicci. Si siedono al centro di galassie lontane. La luce che vediamo è il disco di accrescimento. L’alone è la galassia ospite. Ma i primi telescopi vedevano solo il nucleo luminoso.
Sembrava una stella. Si è comportato come una stella. Non lo era.
Come l’abbiamo capito
Una volta che gli astronomi si sono resi conto che i quasar non erano stelle, hanno guardato più da vicino. Le misurazioni del redshift hanno mostrato che erano incredibilmente lontani. Se erano così luminosi a quella distanza, dovevano essere inimmaginabilmente energici.
Il nome era un termine improprio. L’oggetto era il cuore di una galassia. Ma il termine “quasar” è sopravvissuto. È più facile che dire “nucleo galattico attivo ultraluminoso”.
Usiamo ancora il vecchio nome. Per la stella blu che non era una stella.
Il mistero del Redshift e la scala dei quasar
Gli spettri ottici di questi strani oggetti simili a stelle non avevano senso. Le linee di emissione apparivano a lunghezze d’onda che non corrispondevano ad alcuna fonte celeste conosciuta. Si trattava di un enigma che lasciò perplessi gli astronomi finché Maarten Schmidt, un astronomo olandese-americano, non lo risolse nel 1963. Si rese conto che lo schema in 3C 273, il quasar più luminoso conosciuto, era in realtà atomi di idrogeno allungati dall’espansione cosmica. Lo spostamento verso il rosso era 0,158. Ciò significava che ogni lunghezza d’onda era 1,158 volte più lunga di una misurazione di laboratorio.
Applica la legge di Hubble e ottieni una distanza di oltre due miliardi di anni luce. È lontano. Ammassi di galassie luminosi esistevano a distanze simili. Ma 3C 273? Ha superato di un fattore 100 le singole galassie più luminose di quegli ammassi. Niente di così luminoso era mai stato visto così lontano.
Il problema della densità
Le osservazioni continue hanno portato una sorpresa ancora più strana. La luminosità del quasar fluttuava selvaggiamente su scale temporali di pochi giorni. La fisica impone che un oggetto non può cambiare velocità più velocemente di quanto la luce possa attraversarlo. Pertanto, la dimensione totale di un quasar non doveva essere superiore a pochi giorni luce.
Compatto. Luminoso. Impossibile.
Se qualcosa è così piccolo e luminoso, la pressione della radiazione interna dovrebbe farlo esplodere. L’unica cosa che ferma un’esplosione autodistruttiva è la gravità. Per resistere alla propria luce, un quasar deve essere massiccio. Almeno un milione di masse solari. Questo è il limite di Eddington, che prende il nome da Arthur Eddington. È il punto critico in cui la pressione della radiazione verso l’esterno bilancia l’attrazione gravitazionale verso l’interno.
Quindi gli astronomi si trovarono di fronte a un enigma. Come fa un oggetto delle dimensioni del nostro sistema solare a pesare un milione di stelle e a eclissare una galassia di 100 miliardi di stelle?
Accrescimento e fine delle controversie
La risposta arrivò subito dopo la scoperta di Schmidt. Indipendentemente, gli astronomi russi Yakov Zel’dovich e Igor Novikov, insieme all’austriaco-americano Edwin Salpeter, hanno proposto la stessa soluzione: accrescimento per gravità su buchi neri supermassicci.
Alcuni astronomi lo odiavano. L’idea di una luminosità così elevata in uno spazio così piccolo era sgradevole. Hanno proposto delle alternative. Queste teorie sostenevano che i quasar non si trovavano effettivamente a quelle enormi distanze. I loro spostamenti verso il rosso non erano cosmologici. Da allora queste interpretazioni alternative sono state screditate. Rimangono alcuni aderenti, ma sono valori anomali.
La controversia sul redshift si concluse all’inizio degli anni ’80. L’astronomo americano Todd Boroson e il canadese-americano John Beverly Oke lo hanno dimostrato. Hanno dimostrato che gli aloni sfocati che circondano alcuni quasar erano semplicemente la luce stellare della galassia ospite. E quelle galassie? Erano ad alti spostamenti verso il rosso. La distanza era reale.
Dalle radiosorgenti ai QSO
Nel 1965 divenne chiaro che i quasar erano solo la punta dell’iceberg. Facevano parte di una popolazione più ampia di sorgenti insolitamente blu. La maggior parte erano sorgenti radio più deboli, troppo deboli per le prime indagini. Questo gruppo più ampio condivideva tutte le proprietà dei quasar tranne l’estrema luminosità radio. Erano chiamati oggetti quasi stellari o QSO.
Dagli anni ’80, gli astronomi hanno visto i QSO come la varietà ad alta luminosità di una classe ancora più ampia: i nuclei galattici attivi o AGN. Le versioni a luminosità inferiore sono le galassie di Seyfert, che prendono il nome da Carl K. Seyfert, che le identificò per primo nel 1943.
Trovare i quasar in modo efficiente
I primi quasar furono trovati come sorgenti radio. Ma gli astronomi si resero presto conto che avrebbero potuto trovarli più velocemente cercando oggetti più blu delle stelle normali. Il metodo è semplice. Fotografa ampie zone del cielo attraverso due o tre filtri di colore diverso. Confronta le immagini. Trova gli oggetti insolitamente blu. Verificare con la spettroscopia.
Questa rimane la tecnica principale. Si è evoluto, ovviamente. La pellicola ha lasciato il posto ai dispositivi elettronici ad accoppiamento di carica (CCD). Indagini estese alle lunghezze d’onda dell’infrarosso. Filtri multipli ora isolano i quasar a diversi spostamenti verso il rosso in varie combinazioni.
Ci sono anche altri modi. Ricerca sorgenti simili a stelle con variazioni irregolari di luminosità. Rilievi a raggi X dallo spazio. Alti livelli di emissione di raggi X sono considerati un indicatore sicuro di un sistema di buchi neri in accrescimento.
Struttura fisica dei quasar
Pensa alla vastità del motore nel cuore di un quasar. Stiamo parlando di un buco nero con una massa che va da un milione a diversi miliardi di volte quella del nostro Sole. Questi mostri siedono silenziosamente al centro di molte grandi galassie. Ma quando mangiano, brillano.
In circa il 5-10% di queste galassie la situazione diventa caotica. Il gas cade nel pozzo gravitazionale profondo del buco nero. Prende velocità. Si accumula. L’attrito e il calore trasformano la materia in caduta in incandescenza, formando un disco di accrescimento in rapida rotazione appena fuori dall’orizzonte degli eventi.
C’è un limite rigido alla velocità con cui un buco nero può mangiare. Si chiama limite di Eddington. Se un buco nero accumula materia troppo rapidamente, il calore risultante crea così tanta pressione di radiazione verso l’esterno da spazzare via il gas in entrata. L’alimentazione si interrompe. La natura impone un limite di velocità alla golosità.
Allora, cosa rende un nucleo “attivo”? La maggior parte delle galassie più grandi, dal 90 al 95%, sono attualmente tranquille. Non sono quasar. Un nucleo galattico attivo è diverso perché il suo buco nero si consuma attivamente. Divora alcune masse solari di materia ogni anno. Se mangia a circa l’1% o più del tasso di Eddington, la produzione di energia è sconcertante. Parliamo di una luminosità totale di circa 10^39 watt. Confrontalo con i modesti 4 × 10 ^ 26 watt del Sole. La matematica è brutale.
L’anatomia di un quasar
Al di là del buco nero e del disco luminoso, i quasar hanno un interno complicato. Appena oltre il disco di accrescimento si trovano nubi di gas che si muovono a velocità folli. Queste nubi orbitano attorno alla struttura interna, assorbendo la radiazione ad alta energia dal disco. Lo rielaborano, emettendo ampie righe spettrali di idrogeno e altri atomi ionizzati. Queste linee sono l’impronta digitale di un quasar.
Più lontano, sempre per lo più nel piano del disco di accrescimento, si trovano nubi di gas cariche di polvere. Possono oscurare il quasar stesso, nascondendo il motore centrale alla vista a seconda dell’angolazione.
Poi ci sono i jet. Alcuni quasar emettono fasci di plasma altamente collimati lungo l’asse di rotazione. Questi getti si muovono a velocità prossime a quella della luce. Emettono radiazioni attraverso i raggi X, la radio e talvolta le lunghezze d’onda ottiche. È un faro cosmico, che diffonde raggi di energia attraverso l’universo.
Perché l’orientamento è importante
Questa struttura complessa fa sì che l’aspetto di un quasar dipenda interamente dal tuo punto di vista. Nello specifico, dipende dall’angolo dell’asse di rotazione del disco di accrescimento rispetto alla tua linea di vista.
Se guardi lungo la canna del getto, vedi qualcosa di molto diverso rispetto a quando guardi il disco di taglio. Il disco di accrescimento, le nubi delle linee di emissione e i getti diventano più o meno prominenti in base a questa geometria. Osserviamo un’ampia varietà di fenomeni, ma fisicamente molte di queste fonti sono simili. Li vediamo semplicemente da diverse angolazioni.
Evoluzione dei quasar
Perché vediamo più quasar nell’Universo primordiale
L’universo non è sempre stato così tranquillo. Quando guardiamo nel profondo del cosmo, guardiamo indietro nel tempo. Poiché la luce impiega tempo per raggiungerci, gli oggetti a distanze maggiori vengono visti come erano miliardi di anni fa. Questo è il motivo per cui la densità numerica dei quasar aumenta drasticamente con lo spostamento verso il rosso. Non è solo che ce ne sono molti più lontani. È semplicemente che erano più comuni in passato.
Questa tendenza raggiunge il suo picco quando l’universo aveva circa tre miliardi di anni. Sono trascorsi circa dieci miliardi di anni dal big bang. Prima di allora, la popolazione era ancora in aumento. I quasar più distanti che conosciamo si sono formati meno di un miliardo di anni dopo l’inizio di tutto.
La natura episodica del banchetto del buco nero
I singoli quasar non sono dispositivi permanenti. Appaiono quando i buchi neri centrali iniziano a consumare gas a un ritmo furioso. Ciò accade spesso dopo una fusione di galassie. Il buco nero cresce. Brilla. Ma non dura.
L’attività dei quasar è episodica. Un singolo episodio potrebbe durare circa un milione di anni. La durata totale? Circa dieci milioni di anni. È un battito di ciglia nel tempo cosmico. Alla fine, l’alimentazione si interrompe. Il buco nero diventa dormiente. Si nasconde al centro di un’enorme galassia, in attesa.
Questo ciclo vitale si muove più velocemente per i buchi neri più pesanti. Bruciano intensamente e muoiono giovani. I buchi neri meno massicci richiedono il loro tempo. Oggi, i nuclei galattici attivi (AGN) che vediamo sono per lo più galassie Seyfert a bassa luminosità con buchi neri più piccoli. I giganti stanno già dormendo.
Come i buchi neri controllano i loro ospiti
Esiste una stretta relazione tra la massa di un buco nero e la massa della galassia che lo ospita. È strano perché il buco nero è minuscolo rispetto alla galassia. Costituisce solo circa lo 0,1% della massa totale. Eppure detiene le chiavi del futuro della galassia.
Durante la fase quasar, il buco nero emette un’intensa radiazione. Promuove deflussi di massa. Spara getti. Queste forze riscaldano il mezzo interstellare. Possono persino far uscire completamente il gas dalla galassia.
Ciò ha due effetti principali. Innanzitutto, interrompe la formazione stellare. Senza gas non possono nascere nuove stelle. In secondo luogo, soffoca la fornitura di carburante del quasar. Il buco nero muore di fame. Sia la massa della stella che quella del buco nero si congelano sul posto. La galassia e il suo mostro centrale crescono insieme.
