I Quasar

• 28 maggio 2020

A prima vista, queste due fotografie non mostrano nulla di significativo, se non la bella galassia a spirale barrata NGC 3079, mentre i due ingrandimenti in alto a sinistra sembrano evidenziare solamente alcune stelline meno luminose di altre. In realtà, per quanto all’apparenza simili a comuni stelle, gli oggetti celesti messi in evidenza in queste immagini sono qualcosa di enormemente più grande e lontano: dei quasar. Si tratta, per l’esattezza, di 3C 273, il primo quasar scoperto, e QSO 0957+561 A/B, meglio conosciuto come ‘Twin quasar’ (Doppio quasar), uno tra i primissimi oggetti su cui è stato osservato l’effetto lente gravitazionale predetto da Einstein.

Ma procediamo con ordine. Per capire cosa sono e come sono stati scoperti, dobbiamo tornare negli anni Cinquanta, quando, in seguito a sostanziali miglioramenti nella tecnologia, cominciò a fiorire la radioastronomia, la quale si occupa di captare e misurare le onde radio provenienti dallo spazio. Sono state in breve tempo individuate migliaia di radiosorgenti raccolte in vari cataloghi, tra i quali spicca sicuramente il Terzo catalogo di Cambridge, 3C.

Lo studio di questi oggetti è notevolmente progredito, nonché si è fatto decisamente più interessante, da quando è diventato possibile trovare una controparte ottica per molti di essi: nella maggior parte dei casi tali oggetti si sono rivelati galassie, altre volte nebulose.

Nel dicembre del 1960, l’astronomo statunitense Allan Sandage ottenne un primo risultato insolito, riuscendo a far coincidere la radiosorgente 3C 48 in quella che, al telescopio ottico, sembrava una debole stella. Non fu un caso isolato: lo stesso fatto si ripeté, ad esempio, per 3C 286 e 3C 196. Nel 1962 è il turno di 3C 273 che, grazie al lavoro di Cyril Hazard al Parkes Radio Telescope in Australia, si riesce a identificare in un oggetto anch’esso all’apparenza di tipo stellare. Vi è, però, un problema di fondo: da una lontana stella non dovrebbe arrivare tutto quel quantitativo di onde radio!

La scoperta chiave si ebbe nel 1963, quando Maarten Schmidt, dall'osservatorio di Monte Palomar, studiò le righe di emissione nello spettro della controparte ottica di 3C 273. Si accorse che lo spostamento delle righe spettrali verso il rosso (effetto Doppler) era enorme, tanto da significare che questo oggetto ha una velocità che supera i 47 mila chilometri al secondo (circa un sesto della velocità della luce) e una distanza di circa 2 miliardi e mezzo di anni luce! Dalla sua luminosità apparente e dalla distanza fu inoltre possibile determinare la potenza luminosa di questa sorgente: si stabilì che 3C 273 ha una radiazione milioni di milioni di volte più luminosa del Sole, il che significa che avrebbe la sua stessa luminosità se si trovasse a 35 anni luce di distanza dalla Terra, contro gli 8 minuti luce del Sole!

Non poteva trattarsi dunque di una “radiostella”, ma neppure una galassia comune, visto che a quella distanza sarebbe dovuta apparire centinaia di volte meno luminosa. Schmidt e gli altri astronomi del tempo furono di fronte a qualcosa di completamente nuovo, per il quale, a seguito di un congresso tenuto a Dallas, si decise di utilizzare il termine QUASAR, dalla contrazione di “QUASi-stellAR radio source”, “sorgente radio quasi stellare”.

Si può quindi dire che 3C 273 sia stato il primo quasar scoperto. In seguito, con lo stesso procedimento di analisi dello spettro, si riuscirono a identificarne più di 100 già nell’anno 1967, tra cui le tre radiosorgenti sopra menzionate, le prime ad essere state localizzate in uno di questi insoliti oggetti. Ad oggi se ne conoscono centinaia di migliaia, ma 3C 273 resta comunque uno dei più studiati, in quanto il più luminoso (magnitudine apparente 13) e uno dei più vicini a noi.


In particolare, ad attirare l’attenzione degli scienziati, è quella complessa struttura del getto di gas espulso ad alta velocità, appena visibile nella nostra immagine, che si protende nello spazio per almeno 150.000 anni luce, su cui sono stati puntati anche i telescopi spaziali Chandra e Hubble per ottenere immagini dettagliate. Un getto simile a quello della galassia M87, per il cui approfondimento rimandiamo a un nostro precedente articolo (clicca qui per M87).

Grazie anche a questi studi, tra le varie ipotesi che sono state avanzate per tentare di spiegare la natura dei quasar, la più accreditata sostiene che essi siano nuclei galattici attivi, la cui enorme luminosità è spiegata come il risultato dell'attrito causato 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 che avvengono nelle stelle), anche se i processi esatti di questa enorme produzione di energia sono ancora sconosciuti. Nel caso di 3C 273, si stima che la massa del buco nero al suo centro equivalga a un centinaio di milioni di masse solari.

Nonostante tali luminosità, tuttavia, le dimensioni dei quasar sembra siano confrontabili con quelle del nostro sistema solare, o comunque non più grandi di pochi anni luce. Questo per il fatto che la loro luminosità è fortemente variabile (anche del 100%) e con un periodo piuttosto breve, da poche ore a qualche mese: da un punto di vista relativistico, un oggetto non può cambiare luminosità più velocemente del tempo che la luce impiega ad attraversarlo.

Nella seconda fotografia c’è poi qualcosa di ancora più sorprendente che merita la nostra attenzione. Il Twin quasar è stato scoperto all’inizio del 1979 in Arizona, da un gruppo di ricercatori diretto da Dennis Walsh, Robert Carswell e Ray Weyman. Il team ha notato fin da subito come i due quasar fossero particolarmente vicini (6 secondi d’arco di distanza) e i loro spettri sorprendentemente simili, il che li poneva entrambi alla notevole distanza di 8,7 miliardi di anni luce. È dunque sorto loro il dubbio se si trattasse in verità dello stesso oggetto. Ma è possibile una cosa del genere? Sì, e la spiegazione è stata anticipata all’inizio di questo articolo: si tratta del fenomeno, per la prima volta osservato sotto forma di sdoppiamento dell’immagine, della lente gravitazionale. Diretta conseguenza della relatività di Einstein (formulata nel 1936), questa teoria sostiene che una distribuzione di materia, come una galassia o un buco nero, sia in grado di curvare la traiettoria della luce nello spazio-tempo.

Il nostro quasar è visibile in due immagini distinte, A e B, a causa dell'effetto lente gravitazionale prodotto dalla galassia YGKOW G1, posizionata tra la Terra e il quasar. La luce delle due immagini compie un percorso differente, per questo motivo la luce dell'immagine A giunge a Terra poco più di un anno in anticipo rispetto alla luce dell'immagine B, che percorre all'incirca 1,1 anni luce in più. Successivamente, Young e altri scienziati scoprirono che la galassia G1 è parte di un cluster di galassie, la cui massa contribuiva ulteriormente alla curvatura dello spazio-tempo, permettendo così di spiegare la considerevole distanza tra le due immagini.

È proprio il caso di dirlo: il cielo ci riserva sempre magnifiche sorprese!