Più di quanto vede l’occhio: l’esotico Universo delle alte energie Understand article

Tradotto da Paolo Sudiro. Nel terzo articolo di questa serie sull’astronomia e lo spettro elettromagnetico, scopriamo i fenomeni esotici e potenti che gli astronomi indagano con gli osservatori a raggi X e raggi gamma, incluse le missioni XMM-Newton e INTEGRAL dell’Agenzia Spaziale Europea.

Immagine gentilmente
concessa da ESA/ AOES
Medialab

Negli anni ’60, l’avvento dell’era spaziale diede l’avvio all’astronomia delle alte energie. Per la prima volta gli astronomi poterono osservare l’universo con occhi a raggi X e raggi gamma. La radiazione elettromagnetica (EM) a queste lunghezze d’onda viene emessa da sorgenti cosmiche con proprietà estreme, come temperature eccezionalmente elevate, densità straordinariamente alte o campi magnetici di notevole intensità. Tuttavia, gli osservatori basati a terra non erano in grado di rilevare queste radiazioni, che hanno una lunghezza d’onda troppo corta per riuscire a penetrare l’atmosfera terrestre (figura 1). Ci vollero i primi osservatori spaziali per svelare questo Universo turbolento e continuamente mutevole.

In appena mezzo secolo le osservazioni fatte alle energie più elevate hanno cambiato in modo significativo la nostra visione del cosmo. Studiando il cielo a raggi X e raggi gamma gli astronomi hanno scoperto diversi nuovi tipi di sorgenti astronomiche ed hanno accresciuto la loro conoscenza di molti altri tipi di oggetti. Per esaminare l’Universo nell’intervallo dei raggi X e gamma dello spettro EMw1, l’Agenzia Spaziale Europea (ESA; vedi riquadro) opera due missioni: gli osservatori spaziali XMM-Newton (raggi X) e INTEGRAL (raggi X e raggi gamma). Le tecniche utilizzate nell’astronomia a raggi X e raggi gamma e da queste due missioni sono state introdotte nel secondo articolo di questa serie (Mignone & Barnes, 2011b); questo articolo riassume ciò che ci hanno insegnato queste missioni, dalla vita delle stelle alla struttura dell’universo. Per una panoramica dello spettro EM e del suo ruolo in astronomia, vedi il primo articolo di questa serie (Mignone & Barnes, 2011a).

Figura 1: Lo spettro EM, con evidenziate le regioni ad energia molto alta osservate dagli osservatori spaziali XMM-Newton e INTEGRAL dell’ESA. I raggi X vengono emessi da sorgenti cosmiche a milioni di gradi Celsius; i raggi gamma da sorgenti a centinaia di milioni di gradi Celsius. XMM-Newton rileva i raggi X-ad energie di 150-1.5 x 104 eV, mentre INTEGRAL rileva sia raggi X ad energie di 3 x 103-3.5 x 104 eV che raggi gamma a 1.5 x 104 keV – 1.0 x 107 keV. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Immagine gentilmente concessa da ESA/ AOES Medialab

Svelare la nascita e la morte delle stelle

Le stelle nascono quando la gravità provoca il collasso e la frammentazione di grandi nubi di gas e polveri, che formano delle protostelle. Queste protostelle diventano successivamente delle stelle complete quando nei loro nuclei si avvia la fusione nucleare. Il modo in cui una stella proseguirà la sua evoluzione dipende dalla sua massa, con le stelle massicce destinate ad una vita più breve e una conclusione più spettacolare delle loro controparti di massa minore (figura 2).

Figura 2: Il ciclo vitale di una stella. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Immagine gentilmente concessa da ESA / AOES Medialab

Sono gli stadi iniziali e finali del ciclo di vita di una stella i più interessanti per gli astronomi dei raggi X e raggi gamma. Poiché alcune stelle molto giovani brillano intensamente nei raggi X, gli astronomi possono individuarne molte guardando alle regioni di formazione stellare con telescopi ai raggi X come XMM-Newton (figura 3). La stelle giovani più massicce rilasciano radiazione estremamente energetica e gas estremamente caldi, che sono osservati nelle lunghezze d’onda dei raggi X e influenzano il modo in cui si formano altre stelle nella regione circostante. Utilizzando XMM-Newton gli astronomi hanno individuato bolle di gas caldo da giovani stelle massicce in molte regioni del cielow2, compresa la Nebulosa di Orione e la regione di formazione stellare NGC 346 – un argomento di grande interesse della moderna astrofisica.

Figura 5: Resa artistica di
una binaria a raggi X. Con il
suo intenso campo
gravitazionale il buco nero
sulla destra attira materiale
dalla sua compagna, una
stella supergigante azzurra,
sulla sinistra. Il materiale
strappato segue una
traiettoria a spirale intorno
al buco nero, formando un
disco di accrezione. Due
potenti getti di particelle
estremamente energetiche
vengono emessi nelle
vicinanze del buco nero

Immagine gentilmente
concessa da ESA / AOES
Medialab
Figura 4: Immagine ai raggi X
dei resti della supernova SN
1006 vista da XMM-Newton.
Questo oggetto è quanto
rimane di una supernova
che era stata vista dagli
astronomi Cinesi nel 1006
dC. Negli angoli in alto a
sinistra e in basso a destra
sono visibili le onde di
pressione dove le particelle
come gli elettroni vengono
accelerate a velocità molto
alte

Immagine gentilmente
concessa da CEA / DSM /
DAPNIA / SAp / J Ballet ed ESA
Figura 3: La regione di
formazione stellare NGC
346 è localizzata nella
Piccola Nube di Magellano,
una delle galassie vicine
della Via Lattea. Questa
immagine a falsi colori
combina osservazioni
eseguite con XMM-Newton
nei raggi X (blu) e dati
acquisiti nella luce visibile
(verde) e infrarossa
(rossa) con i telescopi spaziali
Hubble e Spitzer, rispettivamente

Immagine gentilmente concessa
da NASA / JPL-Caltech / D
Gouliermis (Istituto Max-Planck
per l’Astronomia, Heidelberg,
Germania) ed ESA

Al termine delle loro vite le stelle massicce esplodono come supernove (come descritto in Székely & Benedekfi, 2007), riscaldando il gas circostante a temperature estremamente elevate e accelerando le particelle, come gli elettroni, a velocità molto alte. Di conseguenza, viene rilasciata una grande quantità di raggi X e raggi gamma (figura 4). Inoltre, durante le esplosioni di supernova, vengono sintetizzati molti elementi più pesanti del ferro, come piombo, nichel e oro (per saperne di più vedi Rebusco et al., 2007). Alcuni di questi elementi sono radioattivi e alla fine decadono in isotopi stabili, emettendo raggi gamma. Gli astronomi hanno esplorato la Via Lattea per mezzo di INTEGRAL e trovato tracce dell’isotopo radioattivo alluminio-26. Proprio come gli archeologi, hanno scavato nella storia della nostra galassia ed eseguito un censimento delle supernove antiche. I risultati dimostrano che, nella Via Lattea, le supernove si verificano in media ogni 50 anniw3.

Dopo una esplosione di supernova tutto ciò che rimane della stella massiccia è un oggetto estremamente compatto e denso – ovvero una stella di neutroni o un buco nero.

Figura 6: La galassia attiva
vicina, Centaurus A (NGC
5128). Questa immagine a
falsi colori combina
osservazioni compiute con
XMM-Newton nei raggi X
(azzurro, blu e viola, in
ordine di energia crescente)
e dati acquisiti a lunghezze
d’onda più lunghe, infrarosso
lontano (giallo) e sub-
millimetriche (rosso)
utilizzando l’Osservatorio
Spaziale Herschel dell’ESA.
Alle lunghezze d’onda dei
raggi X sono visibili un
certo numero di sorgenti
puntiformi in primo piano:
si tratta di binarie a raggi X
appartenenti alla nostra
galassia, la Via Lattea

Immagine gentilmente
concessa da ESA / XMM-
Newton (raggi X); ESA /
Herschel / PACS / SPIRE /
CD Wilson, Università
McMaster, Hamilton, Ontario,
Canada (infrarosso lontano e
sub-millimetrico)

Con una massa così grande, compressa in uno spazio ristretto, questi resti generano campi gravitazionali eccezionalmente forti ed esercitano un’intensa trazione sulla materia circostante, ma sono piuttosto difficili da osservare. Comunque, se la stella di neutroni o il buco nero sono parte di un sistema binario (due stelle che orbitano intorno ad un centro di massa comune), possono iniziare ad assimilare materia dalla stella compagna; la materia in accrezione si riscalda fino a milioni di gradi, emettendo raggi X e raggi gamma. Queste emissioni ad alta energia possono essere usate per rilevare la presenza di una stella di neutroni o di un buco nero.

Questi sistemi vengono chiamati binarie a raggi X (figura 5) e vennero scoperti nei tardi anni ’60 per mezzo di osservazioni ai raggi X. Fino ad allora le stelle di neutroni ed i buchi neri erano solo stati previsti teoricamente, perciò queste osservazioni fornirono la prima prova della loro esistenza.

Da allora, diverse generazioni di osservatori spaziali hanno aiutato gli astronomi ad imparare molto di più. XMM-Newton e INTEGRAL hanno studiato molte binarie a raggi X (che possono rilasciare anche raggi gamma), rivelando dettagli importanti sulla fisica dei buchi neri e delle stelle di neutroni. Ad esempio, i raggi gamma emessi da Cygnus X-1, osservati per mezzo di INTEGRALw4, hanno aiutato gli astronomi a capire come la materia viene assimilata da questo buco nero attraverso un disco ed espulsa in due getti simmetrici. L’Universo lontano

L’Universo lontano

Figura 7: Osservazioni dell’
ammasso di galassie molto
lontano CL J1449+0856,
effettuate nei raggi X (alone
viola) con XMM-Newton,
sono sovrapposte ad un’
immagine presa da telescopi
al suolo a lunghezze d’onda
nell’infrarosso vicino. Molti
oggetti visibili nell’immagine
sono galassie molto lontane
e fioche. Le galassie
appartenenti all’ammasso di
galassie sono visibili come
un gruppo di deboli oggetti
rossi. Con una temperatura
superiore a 20 milioni di
gradi Kelvin, il gas caldo che
pervade lo spazio
intergalattico brilla luminoso
nei raggi X

Immagine gentilmente
concessa da ESA / ESO /
Subaru / R Gobat et al.

Gli astronomi delle alte energie non solo osservano la nascita e la morte delle stelle nella Via Lattea e nelle galassie vicine, ma usano i raggi X ed i raggi gamma per indagare l’Universo molto più lontano, compresi i buchi neri supermassicci e gli ammassi di galassie.

Tutte le galassie ospitano nei loro nuclei dei buchi neri supermassicci, con masse da alcuni milioni ad alcuni miliardi di volte quella del Sole. Alcune galassie, note come galassie attive, contengono dei buchi neri supermassicci che, diversamente da quello che si trova al centro della Via Lattea, sono attivi. Divorando materia dalle regioni circostanti, questi buchi neri rilasciano radiazione ad alta energia insieme a potenti getti di particelle altamente energetiche (figura 6).

XMM-Newton ed INTEGRAL dell’ESA sono perciò strumenti ideali per dare la caccia alle galassie attive e studiare i meccanismi che le alimentano. Gli astronomi non possono vedere tutti i dettagli necessari nelle sorgenti ad alta energia più lontane, così raccolgono dati dal maggior numero possibile di galassie attive vicine. Combinando i dati delle galassie vicine e lontane, gli astronomi hanno scoperto come i buchi neri supermassicci assorbano materia attraverso un disco e come questi dischi possano essere circondati da nubi di gas assorbentiw5.

Figura 8: Questa mappa
paragona la distribuzione
della materia ‘normale’,
tracciata per mezzo dei gas
caldi visti da XMM-Newton
(in rosso) e delle stelle e
galassie osservate con il
Telescopio Spaziale Hubble
(in grigio), alla distribuzione
della materia oscura
invisibile (in blu), che è
stata dedotta per mezzo
dell’effetto lente
gravitazionale. La mappa
dimostra come la materia
‘normale’ nell’Universo
segua la struttura di una
sottostante ‘intelaiatura’
di materia oscura

Immagine gentilmente
concessa da NASA / ESA /
R Massey (California Institute
of Technology)

Su scala ancora più grande, le galassie tendono a raggrupparsi in ammassi che comprendono fino a diverse migliaia di galassie. Questi ammassi sono le strutture più grandi nell’Universo ad essere tenute insieme dalla forza di gravità e rilasciano una diffusa luminescenza ai raggi X. Questa luminescenza, osservata per la prima volta negli anni ’70, rivela che lo spazio intergalattico di un ammasso contiene una quantità enorme di gas caldo. Insieme con altri osservatori che scandagliano il cielo nello spettro EM, XMM-Newton ha osservato centinaia di ammassi galattici (figura 7).

Questi includono un ammasso molto distante che è una delle più antiche strutture ad essersi formate nel’Universow6, appena 3 miliardi di anni dopo il Big Bang. Questo può sembrare un tempo molto lungo, ma è meno di un quarto dell’età attuale dell’Universo.

Gli ammassi di galassie sono localizzati nei nodi a densità maggiore della rete cosmica, il gigantesco reticolo di strutture che compongono l’Universo e che è costituito principalmente di materia oscura invisibilew7. Utilizzando XMM-Newton, gli astronomi hanno individuato le zone dove la materia è più densamente concentrata, tracciando in questo modo la distribuzione delle strutture cosmiche nell’Universo (figura 8).

Dalla nascita di una stella alla struttura dell’Universo – cos’altro? Gli osservatori a raggi X e raggi gamma, compresi XMM-Newton e INTEGRAL dell’ESA, continuano a tenere sotto stretta osservazione il cielo mutevole delle alte energie, registrando improvvise e violente emissioni di raggi X e raggi gamma. Continuando a svelare le meraviglie del cielo agli astronomi, questi notevoli osservatori spaziali ci stanno aiutando a risolvere i misteri del nostro Universo.

 

Ulteriori informazioni sull’ESA

L’Agenzia Spaziale Europea (ESA)w8 è la porta dell’Europa sullo spazio, organizza programmi per nuove scoperte sulla Terra, l’ambiente spaziale immediatamente circostante, il nostro Sistema Solare e l’Universo, e coopera all’esplorazione umana dello spazio, per sviluppare tecnologie e servizi basati sui satelliti e promuovere le industri europee.

La Direzione della Scienza e dell’Esplorazione Robotizzata è dedicate al programma di scienza spaziale dell’ESA e all’esplorazione robotizzata del Sistema Solare. Nello sforzo di comprendere l’universo, le stelle e i pianeti e l’origine della vita stessa, i satelliti scientifici spaziali dell’ESA scrutano nelle profondità del cosmo e guardano alle galassie più lontane, studiano il Sole con un dettaglio senza precedenti ed esplorano i nostri vicini planetari.

L’ESA è un membro di EIROforumw9, l’editore di Science in School.

 

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References

Web References

Resources

Institution

ESA

Author(s)

Claudia Mignone, Vitrociset Belgium per ESA – Agenzia Spaziale Europea, è una scrittrice scientifica per l’ESA. Si è laureata in astronomia all’Università di Bologna, in Italia, e conseguito il Dottorato in cosmologia all’Università di Heidelberg, in Germania. Prima di entrare all’ESA, ha lavorato presso l’ufficio di relazioni con il pubblico dello European Southern Observatory (ESO).

Rebecca Barnes, HE Space Operations per ESA – Agenzia Spaziale Europea, è funzionario per la didattica della Direzione per la Scienza e l’Esplorazione Robotizzata dell’ESA. Ha conseguito la laurea in fisica e astrofisica all’Università di Leicester, in Gran Bretagna, e lavorato in precedenza presso i dipartimenti di didattica e comunicazione spaziale del National Space Centre britannico. Per saperne di più sulle attività di formazione della Direzione per la Scienza e l’Esplorazione Robotizzata dell’ESA, contattate Rebecca at SciEdu@esa.int


Review

Questo articolo, il terzo di una serie, descrive le attività di ricerca europee nei campi dell’astronomia delle alte energie. Il secondo articolo nella serie descriveva le tecniche utilizzate dalle due missioni ESA, XMM-Newton (raggi X) e INTEGRAL (raggi X e raggi gamma); questo articolo descrive alcuni dei loro risultati, comprese le informazioni sulla nascita e la morte delle stelle, come pure sull’Universo più lontano.

Per gli studenti più grandi (16+), l’articolo è ideale per lezioni di fisica, dove può essere usato per affrontare astrofisica (la vita delle stelle, le relazioni tra lunghezza d’onda ed energia, onde EM), massa e gravità. Potrebbe anche essere usato nelle lezioni di geografia sull’Universo, il sistema solare e gli oggetti cosmici.

Per renderlo accessibile anche agli studenti più giovani (età 10-15 anni) suggerirei agli insegnanti di discutere solo alcune parti selezionate dell’articolo.
L’articolo potrebbe essere molto untile anche per lezioni di Inglese, o – una volta tradotto – di Tedesco, Francese o altre lingue. Poiché l’articolo non è troppo tecnico, può essere usato anche dagli insegnanti che non hanno molta familiarità con la fisica.

L’articolo potrebbe anche servire per stimolare una discussione sui seguenti argomenti:

  1. Descrivere le missioni XMM-Newton e INTEGRAL.
  2. Dare una panoramica dello spettro elettromagnetico (compreso il visibile, infrarosso e UV).
  3. Qual è la relazione tra lunghezza d’onda, energia e frequenza?
  4. Perché dobbiamo utilizzare osservatori spaziali oltre agli osservatori basati a terra?
  5. Perché le sorgenti che brillano principalmente nei raggi gamma sono più calde di quelle che brillano nei raggi X?
  6. Che cosa sono le binarie a raggi X?
  7. Cosa succede alle stelle massicce alla fine della loro vita?

Gerd Vogt, Scuola Secondaria Superiore per l’Ambiente e l’Economia, Yspertal, Austria




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