1 Febbraio 2024
19:50

Nuclei galattici attivi (AGN), le sorgenti non esplosive più energetiche nell’universo

I nuclei galattici attivi, detti anche "galassie attive", emettono energia non attraverso le fusioni nucleari ma tramite la materia che viene inghiottita da un buco nero supermassiccio al centro della galassia.

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Nuclei galattici attivi (AGN), le sorgenti non esplosive più energetiche nell’universo
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Immagine della radiogalassia Hercules A. Credits: NASA, ESA, S. Baum and C. O’Dea (RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), CC BY 3.0, via Wikimedia Commons.

I nuclei galattici attivi sono le sorgenti astrofisiche non esplosive più energetiche che esistono nell'Universo. Come suggerisce il nome, queste sorgenti luminose si trovano nelle regioni compatte centrali (nuclei) delle galassie. La loro fonte di energia è un buco nero supermassiccio che sta attivamente inghiottendo materia. Al giorno d'oggi, è noto che quasi tutte le galassie possiedono un buco nero supermassiccio al loro centro, ma solo quando questo sta attivamente inghiottendo materia si trasforma in un nucleo galattico attivo. Quando i nuclei delle galassie attraversano questa fase attiva, la radiazione elettromagnetica che viene emessa è così intensa, tipicamente un migliaio di miliardi di volte l'energia prodotta dal Sole, da essere superiore a quella emessa da tutte le stelle della galassia stessa.

Come è fatto un nucleo galattico attivo?

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Rappresentazione schematica delle varie componenti di un nucleo galattico attivo: buco nero supermassiccio, disco di accrescimento e toro di polveri e gas. Credits: Emma Alexander, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

Il motore di un nucleo galattico attivo è un buco nero supermassiccio che risiede al centro di ogni galassia e che attraversa fasi di stasi e fasi di intensa attività, queste ultime corrispondenti a quando il buco nero sta effettivamente inghiottendo materia. Un modello che tenta di spiegare cosa avviene in un nucleo galattico attivo è il cosiddetto "modello unificato". Questo modello prevede che, oltre al buco nero supermassiccio centrale, vi siano anche un disco di accrescimento e una regione di forma toroidale costituita da gas e polveri.

Il disco di accrescimento è costituito dal materiale più prossimo al buco nero supermassiccio. Esso è in rapida rotazione ed è il carburante dell'attività del buco nero. All'interno del disco di accrescimento avvengono processi di attrito e di interazioni con campi magnetici che hanno come effetto quello di scaldare il disco di accrescimento, emettendo quindi radiazione elettromagnetica nell'ultravioletto e nell'ottico, e quello di trasportare materia verso l'interno del disco, sempre più vicino al buco nero fino a finirne inghiottita. L'effetto del toro di polveri, costituito da gas e piccole particelle di polveri, è invece principalmente quello di assorbire la radiazione ultravioletta e ottica proveniente dalle zone centrali e ri-emetterla sotto forma di radiazione infrarossa. Altra componente spesso presente è la corona, ovvero una zona fatta di elettroni estremamente energetici che circonda il disco di accrescimento.

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Immagine dell’ombra dell’orizzonte degli eventi del buco nero supermassiccio Sagittarius A* ottenuta utilizzando i radiotelescopi dell’Event Horizon Telescope. Questa immagine è la rappresentazione migliore che abbiamo della regione più interna di un nucleo galattico attivo. Credits: EHT.

Un'altra componente che invece non sempre è presente in un nucleo galattico attivo è il getto relativistico, fasci di particelle ionizzate accelerate a velocità prossime a quelle della luce. Il meccanismo che genera questi getti relativistici è ancora poco noto dato che la regione in cui si formano è così piccola che non può essere osservata direttamente, nemmeno con i più potenti telescopi a disposizione. La teoria più accreditata è che essi siano emessi lungo l'asse di rotazione da buchi neri supermassicci in rapidissima rotazione.

Le diverse tipologie di nuclei galattici attivi

Blazar, quasar, galassie seyfert, radiogalassie sono tutti nomi che spesso si sentono associati ai nuclei galattici attivi. Il diverso nome è dovuto al fatto che questi oggetti sono stati scoperti in momenti diversi (a cavallo tra gli anni '40 e '60) in diverse bande elettromagnetiche. In realtà, col tempo ci si è resi conto che tutti ricadono sotto la categoria di nuclei galattici attivi.

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La galassia Centaurus A possiede un getto relativistico espluso dal suo nucleo galattico attivo che si estende per un milione di anni–luce circa. È l’esempio più vicino a noi di radiogalassia. Credits: ESO/WFI (Optical); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submillimetre); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (X–ray), CC BY 4.0, via Wikimedia Commons.

Il modello unificato visto prima permette di spiegare la ragione di questa diversità. Ad esempio, a seconda dell'inclinazione del nucleo galattico attivo rispetto a noi osservatori, il toro di polveri bloccherà o meno la possibilità di osservare il disco di accrescimento centrale. Oppure, se il getto relativistico emesso dal buco nero centrale è emesso proprio nella nostra direzione ecco che avremo un blazar, un nucleo galattico attivo di cui possiamo osservare solo il getto relativistico. Se invece il getto non punta nella nostra direzione, il nucleo galattico attivo mostrerà nelle onde radio dei lobi che si dipanano dai getti uscenti dal buco nero centrale e avremo quindi una radiogalassia.

Le ultime ricerche suggeriscono che oltre a fattori di inclinazione vi siano anche altri parametri astrofisici che ci permettono di separare le varie classi di nuclei galattici attivi. Tra i parametri annoveriamo, oltre alla presenza di getti relativistici e all'inclinazione rispetto all'osservatore, anche la quantità di materiale che cade sul buco nero centrale, la massa del buco nero stesso e il grado di assorbimento delle polveri circostanti. I quasar ad esempio sono i più energetici dei nuclei galattici attivi in cui il tasso di materiale che cade sul buco nero è particolarmente elevato.

Cosa impariamo dai nuclei galattici attivi?

I nuclei galattici attivi sono importanti sia per lo studio della cosmologia (nascita ed evoluzione dell'Universo) che per lo studio dell'evoluzione delle galassie. Grazie alla loro grandissima luminosità, possono essere osservati anche a distanze di miliardi di anni-luce, dandoci una idea di quali oggetti popolassero l'Universo nei primi miliardi di anni di vita. Inoltre, data l'energia della radiazione emessa, si pensa che essi siano stati partecipi del processo di re-ionizzazione dell'Universo, che trasformò gli atomi neutri formatisi 380000 anni dopo il Big Bang in atomi ionizzati.

I nuclei galattici attivi ci permettono anche di studiare come la materia si comporta in condizioni di campo gravitazionale estremo, come quello nelle vicinanze di un buco nero, e quali processi fisici sono in grado di accelerare le particelle ad energie di gran lunga superiori a quelle ottenibili sulla Terra, ad esempio nel Large Hadron Collider. In aggiunta, gli astronomi hanno scoperto un legame tra il nucleo galattico attivo e la galassia che lo ospita, nella misura in cui i ripetuti episodi di attività del buco nero supermassiccio centrale influenzano profondamente il cammino evolutivo della galassie che li ospita, ad esempio fermandone per sempre la formazione stellare.

Come si osservano i nuclei galattici attivi?

I nuclei galattici attivi emettono radiazione su tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma. Siccome ogni banda fornisce informazioni su di uno specifico processo fisico, solo studiando i nuclei galattici attivi attraverso tutto lo spettro elettromagnetico possiamo capirne il funzionamento.

L'emissione radio dei nuclei galattici attivi proviene principalmente dai getti relativistici, in particolare attraverso il processo di emissione di sincrotrone. Quest'ultima rappresenta l'emissione di radiazione elettromagnetica da parte di particelle cariche (di cui è fatto il getto) quando esse vengono accelerate ad esempio dai campi magnetici.

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Getto relativistico emesso dalla galassia ellittica M87. Credits: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA).

L'emissione infrarossa proviene invece principalmente dal toro di polveri. Quest'ultimo viene infatti riscaldato dalla radiazione proveniente dalla zona centrale del nucleo galattico attivo e le polveri riemettono questa energia sotto forma di radiazione infrarossa. La radiazione che riscalda il toro di polveri è invece nella banda ultravioletta/ottica e viene emessa dal disco di accrescimento riscaldato dai processi di attrito viscoso che avvengono al suo interno.

Proseguendo verso radiazione elettromagnetica più energetica, i nuclei galattici attivi emettono sia raggi X che raggi gamma. I raggi X vengono prodotti da un processo, noto come Compton inverso, che consiste nell'interazione tra gli elettroni energetici presenti nella corona e la radiazione ultravioletta/ottica emessa dal disco di accrescimento. L'effetto è quello di modificare l'energia della radiazione elettromagnetica dall'ultravioletto/ottico ai raggi X. L'emissione di raggi gamma è invece ancora una volta legato al getto relativistico e al processo di Compton inverso. Le particelle cariche estremamente energetiche presenti nei getti relativistici interagiscono tramite Compton inverso con la radiazione di sincrotrone aumentandone l'energia fino a quelle dei raggi gamma.

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