Quando guardi il cielo notturno, come fai a sapere se i granelli di luce che vedi sono luminosi e lontani, o relativamente debole e vicino? Un modo per scoprirlo è confrontare la quantità di luce effettivamente emessa dall'oggetto con quanto luminoso appare. La differenza tra la sua vera luminosità e la sua apparente luminosità rivela la distanza di un oggetto dall'osservatore.

Misurare la luminosità di un oggetto celeste è impegnativo, soprattutto con i buchi neri, che non emettono luce. Ma i buchi neri supermassicci che si trovano al centro della maggior parte delle galassie forniscono una scappatoia:spesso attirano molta materia intorno a loro, formando dischi caldi che possono irradiarsi brillantemente. Misurare la luminosità di un disco luminoso consentirebbe agli astronomi di misurare la distanza dal buco nero e dalla galassia in cui vive. Le misurazioni della distanza non solo aiutano gli scienziati a creare un ambiente migliore, mappa tridimensionale dell'universo, possono anche fornire informazioni su come e quando si sono formati gli oggetti.

In un nuovo studio, gli astronomi hanno utilizzato una tecnica che alcuni hanno soprannominato "mappatura dell'eco" per misurare la luminosità dei dischi di buchi neri in oltre 500 galassie. Pubblicato il mese scorso in Giornale Astrofisico , lo studio aggiunge supporto all'idea che questo approccio potrebbe essere utilizzato per misurare le distanze tra la Terra e queste galassie lontane.

Il processo di mappatura dell'eco, noto anche come mappatura del riverbero, inizia quando il disco di plasma caldo (atomi che hanno perso i loro elettroni) vicino al buco nero diventa più luminoso, a volte rilasciando anche brevi bagliori di luce visibile (ovvero lunghezze d'onda che possono essere viste dall'occhio umano). Quella luce si allontana dal disco e alla fine si imbatte in una caratteristica comune alla maggior parte dei sistemi di buchi neri supermassicci:un'enorme nuvola di polvere a forma di ciambella (nota anche come toroide). Insieme, il disco e il toro formano una sorta di occhio di bue, con il disco di accrescimento avvolto strettamente attorno al buco nero, seguiti da anelli consecutivi di plasma e gas leggermente più freddi, e infine il toro di polvere, che costituisce il più ampio, anello più esterno nell'occhio di bue. Quando il lampo di luce dal disco di accrescimento raggiunge la parete interna del toroide polveroso, la luce viene assorbita, provocando il riscaldamento della polvere e il rilascio di luce infrarossa. Questo schiarimento del toroide è una risposta diretta a o, si potrebbe dire un "eco" dei cambiamenti avvenuti nel disco.

La distanza dal disco di accrescimento all'interno del toroide di polvere può essere enorme:miliardi o trilioni di miglia. anche luce, viaggiando a 186, 000 miglia (300, 000 chilometri) al secondo, possono volerci mesi o anni per attraversarlo. Se gli astronomi possono osservare sia il bagliore iniziale della luce visibile nel disco di accrescimento che il successivo schiarimento infrarosso nel toroide, possono anche misurare il tempo impiegato dalla luce per viaggiare tra queste due strutture. Poiché la luce viaggia a una velocità standard, questa informazione fornisce anche agli astronomi la distanza tra il disco e il toro.

Gli scienziati possono quindi utilizzare la misurazione della distanza per calcolare la luminosità del disco, e, in teoria, la sua distanza dalla Terra. Ecco come:la temperatura nella parte del disco più vicina al buco nero può raggiungere decine di migliaia di gradi, così alta che persino gli atomi vengono fatti a pezzi e le particelle di polvere non possono formarsi. Il calore del disco riscalda anche l'area circostante, come un falò in una notte fredda. Viaggiando lontano dal buco nero, la temperatura diminuisce gradualmente.

Gli astronomi sanno che la polvere si forma quando la temperatura scende a circa 2, 200 gradi Fahrenheit (1, 200 gradi centigradi); più grande è il falò (o più energia irradia il disco), più lontano da esso si forma la polvere. Quindi misurare la distanza tra il disco di accrescimento e il toro rivela la produzione di energia del disco, che è direttamente proporzionale alla sua luminosità.

Poiché la luce può impiegare mesi o anni per attraversare lo spazio tra il disco e il toro, gli astronomi hanno bisogno di dati che abbracciano decenni. Il nuovo studio si basa su quasi due decenni di osservazioni della luce visibile dei dischi di accrescimento dei buchi neri, catturato da diversi telescopi terrestri. La luce infrarossa emessa dalla polvere è stata rilevata dal Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer (NEOWISE) della NASA. precedentemente denominato WISE. La navicella sonda l'intero cielo circa una volta ogni sei mesi, fornendo agli astronomi ripetute opportunità di osservare le galassie e cercare i segni di quegli "echi" di luce. Lo studio ha utilizzato 14 rilievi del cielo di WISE/NEOWISE, raccolti tra il 2010 e il 2019. In alcune galassie, la luce ha impiegato più di 10 anni per percorrere la distanza tra il disco di accrescimento e la polvere, rendendoli gli echi più lunghi mai misurati al di fuori della galassia della Via Lattea.

galassie lontane, Lontano

L'idea di utilizzare la mappatura dell'eco per misurare la distanza dalla Terra alle galassie lontane non è nuova, ma lo studio fa passi da gigante nel dimostrarne la fattibilità. Il più grande sondaggio singolo del suo genere, lo studio conferma che la mappatura dell'eco si svolge allo stesso modo in tutte le galassie, indipendentemente da variabili come la dimensione di un buco nero, che possono variare in modo significativo nell'universo. Ma la tecnica non è pronta per la prima serata.

A causa di molteplici fattori, le misurazioni della distanza degli autori mancano di precisione. Soprattutto, gli autori hanno detto, hanno bisogno di capire di più sulla struttura delle regioni interne della ciambella di polvere che circonda il buco nero. Quella struttura potrebbe influenzare cose come quali lunghezze d'onda specifiche della luce infrarossa la polvere emette quando la luce la raggiunge per la prima volta.

I dati WISE non coprono l'intero intervallo di lunghezze d'onda a infrarossi, e un set di dati più ampio potrebbe migliorare le misurazioni della distanza. Telescopio spaziale romano Nancy Grace della NASA, il cui lancio è previsto per la metà degli anni 2020, fornirà osservazioni mirate in diverse gamme di lunghezze d'onda dell'infrarosso. La prossima missione SPHEREx dell'agenzia (che sta per Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization e Ices Explorer) esamineranno l'intero cielo in più lunghezze d'onda infrarosse e potrebbero anche aiutare a migliorare la tecnica.

"La bellezza della tecnica di mappatura dell'eco è che questi buchi neri supermassicci non scompariranno presto, " disse Qian Yang, ricercatore presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e autore principale dello studio, riferendosi al fatto che i dischi dei buchi neri possono subire flaring attivo per migliaia o addirittura milioni di anni. "Così possiamo misurare gli echi della polvere più e più volte per lo stesso sistema per migliorare la misurazione della distanza".

Le misurazioni della distanza basate sulla luminosità possono già essere eseguite con oggetti noti come "candele standard, " che hanno una luminosità nota. Un esempio è un tipo di stella che esplode chiamata supernova di tipo 1a, che ha giocato un ruolo fondamentale nella scoperta dell'energia oscura (il nome dato alla misteriosa forza trainante dietro l'accelerazione dell'espansione dell'universo). Le supernovae di tipo 1a hanno tutte circa la stessa luminosità, quindi gli astronomi devono solo misurare la loro luminosità apparente per calcolare la loro distanza dalla Terra.

Con altre candele standard, gli astronomi possono misurare una proprietà dell'oggetto per dedurne la luminosità specifica. È il caso della mappatura dell'eco, dove ogni disco di accrescimento è unico ma la tecnica per misurare la luminosità è la stessa. Ci sono vantaggi per gli astronomi nell'essere in grado di utilizzare più candele standard, come essere in grado di confrontare le misurazioni della distanza per confermare la loro accuratezza, e ogni candela standard ha punti di forza e di debolezza.

"Misurare le distanze cosmiche è una sfida fondamentale in astronomia, quindi la possibilità di avere un asso in più nella manica è molto eccitante, " ha detto Yue Shen, anche ricercatore presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e coautore dell'articolo.