Quasars

Prof. Francesco Fabbri4a LICEO TECNOLOGICOIISS “Mattei” – Rosignano S. (LI)

Immagine artistica di un quasar della NASA (quasar ULAS_J1120+0641)

Slide N° 43

Lezione N° 1

Scienze della terra

INDICE:

Definizione di Quasar;Redshift;

Storia delle osservazioni dei Quasar;Ma sono così lontani?;Definizione di Buco Bianco;

Modello attuale dei Quasar;Definizione di Blazar;

Struttura di un Quasar;Stadi di formazione di un Quasar;Curiosità;

Perché è così famoso (3C-273)?;Altri quasar… .

DEFINIZIONE DI QUASAR

QUASAR è la contrazione di QUASi-stellAR radio source, radiosorgente quasi stellare

E’ un oggetto astronomico che somiglia MOLTO ad una stella in un telescopio ottico (cioè è

una sorgente puntiforme), che però mostra un grande spostamento verso il rosso (redshift)

del suo spettro.

Definizione di Quasar

Immagine di un quasar molto

ingrandita

Il consenso generale è che questo grande redshift sia di origine cosmologica, cioè il

risultato della legge di Hubble.

Questo implica che i quasar siano oggetti molto distanti e che debbano

emettere più energia di dozzine di normali galassie. Infatti, i quasar sono considerati tra gli oggetti più luminosi

dell'Universo osservabile e una loro caratteristica è di emettere la stessa

quantità di radiazione in quasi tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde

radio ai raggi X e gamma.

Alcuni quasar mostrano rapidi cambiamenti della loro luminosità,

il che implica che siano molto piccoli

(un oggetto non può cambiare luminosità più velocemente del tempo che la luce impiega ad

attraversarlo).

Se l'interpretazione cosmologica è giusta, l'enorme luminosità e le brusche fiammate di un quasar sono

totalmente inimmaginabili per la mente umana:

Un quasar medio può incenerire l'intero pianeta Terra da numerosi anni luce di distanza ed emettere tanta

energia in un secondo quanta il Sole ne emette in centomila anni.

Redshift

Lo spostamento verso il rosso (chiamato anche col termine inglese redshift) è il fenomeno per cui la frequenza della luce,

quando osservata in certe circostanze, è più bassa della frequenza che aveva quando è stata emessa.

Ciò accade in genere quando la sorgente di luce si muove allontanandosi o avvicinandosi all'osservatore.

Più in particolare, si parla di "spostamento verso il rosso" quando, nell'osservare lo spettro della luce emessa da galassie, quasar o supernovae lontane, questo appare spostato verso frequenze minori, se confrontato con lo

spettro dei corrispondenti più vicini. Esempio di

spostamento verso il rosso dovuto

all’effetto doppler

Formula effetto doppler:

STORIA DELLE OSSERVAZIONI

DEI QUASAR

I primi quasar vennero scoperti con radiotelescopi alla fine degli anni

cinquanta. Il primo spettro di un quasar, che rivelò il suo alto redshift, fu

ottenuto da Maarten Schmidt nel 1963. ù

Una volta identificata la classe di oggetti fu possibile rintracciarli su

lastre fotografiche risalenti anche al XIX secolo. Più tardi si scoprì che solo pochi (circa il 10%) dei quasar emettono forti

onde radio.

Storia Delle Osservazioni Dei Quasar

Argomento di aspri dibattiti durante gli anni sessanta fu se i quasar fossero oggetti vicini

oppure lontanissimi come indicava il loro redshift.

Un forte argomento contro i quasar posti a

distanze cosmologiche era che la grande distanza implicava luminosità così alte per le quali nessun

processo conosciuto all'epoca, compresa la fusione nucleare, avrebbe fornito l'energia necessaria.

Alcuni suggerirono che i quasar fossero composti da antimateria, altri che fossero buchi bianchi.

Questa obiezione fu rimossa con la proposta del meccanismo del disco di accrescimento, e oggi la distanza cosmologica dei quasar è accettata da

quasi tutti i ricercatori.

Ma sono così lontani???

Un buco bianco è un oggetto teorico che può essere

individuato secondo la legge di relatività generale, ma la cui

esistenza nell'universo è considerata come puramente

speculativa.

Definizione di Buco Bianco

Un buco bianco è un oggetto teorico che può essere individuato secondo la legge di relatività generale, ma la cui esistenza nell'universo è considerata come puramente speculativa. È descritto tramite soluzioni matematiche in cui delle geodetiche sono derivate da una singolarità gravitazionale o da un orizzonte degli eventi.

Albert Einstein fu tra i primi a parlare di buco bianco, come di ipotetica controparte di un buco nero.Poiché le leggi della fisica sono simmetriche rispetto al tempo, si ipotizza che esistano oggetti antitetici ai buchi neri. Mentre un buco nero cattura la materia che entra nel suo campo gravitazionale ma non lascia uscire neppure la luce, esisterebbero oggetti che emettono materia ma nei quali niente può entrare. Tali oggetti altamente speculativi vengono chiamati buchi bianchi.

Ad oggi non è stato scoperto alcun campo antigravitazionale che sia in grado di produrre questo effetto, quindi l'esistenza dei buchi bianchi rimane nell'ambito del puramente teorico e speculativo. Un cunicolo spazio-temporale a senso unico potrebbe essere generato da un buco nero collegato a un buco bianco, se quest'ultimo venisse effettivamente scoperto. Questi cunicoli

vengono chiamati Wormholes

Teoricamente se si attraversasse un wormhole, uscendo da un buco bianco, non sarebbe più

possibile rientrare nello stesso. Infatti perlomeno in teoria il

buco bianco ha un campo antigravitazionale dove tutto

viene respinto.

MODELLO ATTUALE DEI QUASAR

Modello Attuale Dei Quasar

Negli anni ottanta, si svilupparono dei modelli unificati in cui i quasar erano visti come una classe di galassie

attive, e il consenso generale è che solo l'angolo di vista li distingue dalle altre classi, come le galassie di Seyfert

e le radiogalassie (scoperte dall’astronomo Riccardo Barthel, nel 1989).

Un quasar deviato da una lente

gravitazionale . Al centro si può vedere la galassia che si è

sovrapposta al quasar stesso.

L'enorme luminosità dei quasar è spiegata come il risultato della frizione causata da gas e

polveri che cadono in un buco nero supermassiccio formando un disco di

accrescimento, meccanismo che può convertire circa la metà della massa di un oggetto in

energia, contro i pochi punti percentuali dei processi di fusione nucleare.

Ma un quasar è classificato per gli astronomi nella categoria dei blazar…

Vediamo che cosa sono

DEFINIZIONE DI BLAZAR

Un blazar (dall'inglese: blazing quasi-stellar object) è una sorgente altamente energetica, variabile e molto

compatta associata a un buco nero supermassiccio che si trova al centro della galassia ospitante.

Sono tra i più violenti fenomeni nell'universo e sono un importante argomento di studio dell'astronomia

extragalattica.

Definizione Di Blazar

I blazar fanno parte di un grande gruppo di galassie attive, dette anche Nuclei Galattici Attivi (sigla AGN).

Tuttavia, i blazar non sono un gruppo omogeneo e si possono dividere in due tipi: i quasar altamente

variabili, qualche volta chiamati quasar ottici violentemente variabili (OVV), che sono solo una piccola

porzione tra tutti i quasar, e gli oggetti del tipo BL Lacertae

Il nome “blazar” è stato coniato nel 1978 dall'astronomo Ed Spiegel per indicare la

combinazione di queste due classi di oggetti.

La grande quantità di energia che gli AGN producono è dovuta da un buco nero supermassiccio al centro della galassia ospite.

Gas, polveri e stelle vengono catturate e la spirale in questo buco nero centrale crea un disco di accrescimento caldo che genera un'enorme quantità di energia, sotto forma di fotoni, elettroni, positroni e altre particelle elementari. Questa regione è abbastanza piccola, approssimativamente 10−3 parsec di larghezza.

A seconda dell’inclinazione del l’angolo di vista del blazar è possibile suddividerlo in 4 categorie:

Radiogalassia / Galassia di Seyfert

Galassia di Seyfert

Quasar

Blazar

Perpendicolarmente al disco di accrescimento, un paio di getti

portano via dall'AGN plasma altamente energetico.

Il getto è orientato grazie a una combinazione di intensi campi

magnetici a potenti venti che arrivano dal disco di accrescimento e gli anelli.

Dentro il getto, fotoni ad alta energia e particelle interagiscono tra di loro e

con il forte campo magnetico.

Questi getti possono estendersi fino a 10 kiloparsec di distanza dal buco

nero centrale.

Come è possibile vedere i Quasar sono una sottocategoria dei Blazar.

Quindi un Quasar è definito tale solo se noi stiamo vedendo

un blazar che ha una certa inclinazione di valore Θ

STRUTTURA DI UN QUASAR

Struttura Di Un Quasar

La materia è talmente collassata su sé stessa sotto la sua stessa forza di

gravità che al centro del buco nero la velocità di fuga è superiore a quella

della luce (299 792,458 Km/s)

Ad esempio, la velocità di fuga di una stella a neutroni si aggira intorno ai

250 000 Km/s

In un buco nero neanche la luce può scappare da

esso.

STADI DI FORMAZIONE

DI UN QUASAR

Stadi Di Formazione Di Un Quasar

Un quasar è uno stadio evolutivo delle galassie in formazione, molto spesso in

seguito ad una collisione tra di esse

Gruppo di galassie NGC 4038 (Galassie delle Antenne)

Sono pochissimi i Quasar relativamente vicini a noi,

i più sono a grande distanza (ossia nel passato). Il grafico

mostra la quantità di quasar in

base al loro redshift.

Il che significa

anche che la maggior

parte di essi sono ormai parte della

storia dell’universo.

Infatti la teoria dell’espansione dell’universo è in accordo con il grafico:

POCO DOPO IL BIG BANG L’UNIVERSO ERA MOLTO PIU’ PICCOLO e per questo i quasar

erano molto frequenti

Il che significa anche che le galassie interagenti erano un fenomeno molto più

consueto allora!

Come si forma un quasar??

In questo modo le due galassie concentrano la maggior parte della loro massa in una regione molto più piccola

di quella di origine

CURIOSITA’

Tornando un po’ più vicini alla terra (si fa per dire), si può analizzare la radiogalassia Centaurus A distante dalla terra

circa 15 milioni di a.l.Centaurus A

Costellazione Centauro

Ascensione retta 13h 25.5m

Declinazione −43° 01′

Distanza15 milioni a.l.

(4,59 milioni pc)

Magnitudine apparente (V) 7,0

Dimensione apparente (V) 18' x 14'

Caratteristiche fisiche

Tipo Galassia peculiare

Classe S0

Altre denominazioni

NGC 5128; C 77

Curiosità

Essendo una radiogalassia possiamo affermare che anche essa è un blazar.

Infatti come tale contiene all’interno

un buco nero supermassiccio che “spara” a incredibili

velocità un getto perpendicolare al

disco di accrescimento

Immagine presumibilmente

ottenuta con opportuni filtri

che rappresenta il centro galattico

Ed ora prendiamo in esame un particolare

quasar: 3C-273

Immagine del quasar ottenuta

con e senza

coronografo

Il quasar 3C 273, nella Costellazione della

Vergine, merita un posto di riguardo nella storia di questi oggetti. Fu proprio

studiando le righe di emissione nello spettro della sua controparte ottica che, nel 1963 l'astronomo tedesco

Maarten Schmidt, dall'osservatorio di

Monte Palomar, riuscì a dimostrare che 3C 273 si

stava allontanando ad una velocità di 44.000

km/s.

Perché è così famoso??

Scoperta

Scopritore Maarten Schmidt

Anno 1959

Dati osservativi

Costellazione Vergine

Ascensione retta 12h 29m 06.7s

Declinazione +02° 03 09″′

Distanza 2,44 miliardi

Magnitudine apparente (V) 12,9

Redshift 0.158339 ± 0.000067

Caratteristiche fisiche

Tipo Quasar

Classe Sy1

Caratteristiche rilevanti Primo quasar scoperto

Altre designazioni

PGC 41121

Essendo uno dei quasar più vicini a noi e il più luminoso conosciuto (in termini di

magnitudine apparente), è quindi anche uno dei più studiati, soprattutto per la

complessa struttura del getto di gas espulso ad alta velocità, che si protende nello spazio

per 150 000 anni luce, evidenziato dai satelliti Chandra e Hubble.

Situato a circa 3 miliardi di anni luce, risulta più luminoso di 1000 galassie contenenti

100 miliardi di stelle ciascuna; se si trovasse alla distanza di 32 anni luce dalla Terra,

illuminerebbe il cielo quanto il Sole (distante dalla Terra solo 8 minuti luce).

Mettendo a confronto la visione dei due corpi celesti ai raggi infrarossi possiamo vedere che in realtà sono oggetti molto simili, sebbene siano molto diversi fra di loro. Vediamo la

radiogalassia…

Come si può vedere con chiarezza c’è un getto di espulsione del buco nero sparato in entrambi i

sensi perpendicolarmente al suo disco di accrescimento (avente stessa inclinazione del

centro della galassia Centaurus A)

Il getto di particelle che parte dal buco nero del

quasar che si diffonde per circa 150 000 a.l. è molto

simile a quello della precedente.

Immagine di 3C-273 ottenuta con Chandra (noto telescopio spaziale

dopo Hubble avente anche nome di AXAF, Advanced X-ray Astrophysics

Facility)

Questa è una ulteriore dimostrazione che le

radiogalassie ed i quasar appartengono

alla stessa categoria di oggetti quasi stellari

(BLAZAR)

Altri quasar…ULAS

J1120+0641 è un quasar, la cui

scoperta è stata segnalata il 29 giugno 2011.

Con un valore di spostamento

verso il rosso di oltre 7, è il quasar più distante

conosciuto (28,85 miliardi di

a.l. !!!!).

Markarian 421 è un blazar collocato nella costellazione

dell'Orsa Maggiore.

È una galassia attiva, un oggetto BL Lacertae e una grande sorgente di raggi

gamma.Alla distanza di 360 milioni di anni luce è uno dei blazar più vicini alla Terra e questo fa si

che esso sia anche uno dei quasar più luminosi.

Il suo spostamento verso il rosso è 0.031.

Si pensa abbia un buco nero supermassiccio al centro e ha una galassia compagna (slide 22) che rifornisce di materiale i

getti di gas che si originano dall'oggetto.

Dati osservativi

Costellazione Orsa Maggiore

Ascensione retta 11h 04m 27.3139s

Declinazione +38° 12 31.799″′

Distanza 360 milioni a.l.

Magnitudine apparente 13,1

Dimensione apparente 0 ,8 x 0 ,6′ ′

Caratteristiche fisiche

Tipo Blazar

Altre designazioni

QSO B1101+3828, UGC 6132

51 UMa

Immagine ad infrarossi del quasar 3C-175.

Con questa immagine ci si può rendere conto della incredibile potenza del buco

nero al centro di esso.

FINE della LEZIONE N. 1

Quasars

“Voglio sapere ciò che pensa Dio…

… il resto sono dettagli”

Albert EinsteinProf. Francesco

Fabbri4a LICEO

TECNOLOGICOIISS “Mattei” – Rosignano S. (LI)