Al centro di un quasar, un buco nero è circondato da un disco di accrescimento rotante composto da polvere e gas, e ci sono due getti di plasma diretti in modo opposto che emanano da esso. La forma dei getti cambia con la distanza dal centro, e come risultato, sembrano i famosi pantaloni a zampa. Nella resa di questo artista, attorno al getto si possono vedere un campo magnetico distorto e nubi di gas interstellare. Credito:Daria Sokol/MIPT Press Office
Ricercatori dalla Russia, Germania, La Finlandia e gli Stati Uniti hanno studiato più di 300 quasar, buchi neri rotanti che producono fasci di plasma. Il team ha scoperto che la forma di questi cosiddetti getti astrofisici cambia da parabolica a conica a una certa distanza dal buco nero, ricorda gli iconici jeans a zampa degli anni '70. Misurando efficacemente questi "pantaloni cosmici, " i ricercatori mirano a interpretare il funzionamento del motore centrale che accelera la materia quasi alla velocità della luce al centro di remote galassie attive. Lo studio è riportato nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
I fari dell'universo
I quasar sono tra gli oggetti più luminosi dell'universo, nonostante si trovi a miliardi di anni luce dalla Terra. A volte sono chiamati fari, e ciò che ci aiutano a navigare non è solo il remoto passato cosmico e l'intricata struttura dell'universo, ma il nostro pianeta, pure. Perché sono così remoti, i quasar possono essere utilizzati come punti di riferimento stabili nel cielo per misurare la rotazione terrestre e le coordinate degli oggetti sulla superficie del pianeta. Questo principio è alla base del GPS, GLONASS, e altri sistemi di posizionamento.
Un quasar è così brillante che può essere individuato da un'enorme distanza. Mostrato in figura 1, ospita un buco nero supermassiccio rotante che pesa fino a diversi miliardi di volte il nostro sole. La materia intorno al buco nero cade su di esso, portatore di un campo magnetico. Le linee di campo sono simili a fili con particelle cariche infilate su di essi come perline. La Figura 2 illustra che quando le linee del campo magnetico ruotano, il plasma accelera quasi alla velocità della luce. I deflussi risultanti sono chiamati getti astrofisici, ed è a causa loro che i quasar sono oggetti così abbaglianti.
Raggiungere il cielo
Gli astronomi hanno precedentemente pensato che quasi ogni getto ha la forma di un cono stretto, espandendosi lateralmente dopo aver lasciato la regione del buco nero.
Rappresentazione schematica di un getto di plasma. Puoi immaginare le linee del campo magnetico come trefoli di filo che sporgono da un disco, e particelle cariche come perline su di esse. La rotazione del disco farà sì che le perline accelerino e si allontanino da esso. Credito:Elena Nokhrina e Daria Sokol/MIPT
Dopo aver osservato centinaia di quasar per due decenni tramite una rete di radiotelescopi sparsi in tutto il mondo, gli autori del nuovo studio hanno contestato questa ipotesi. Hanno prodotto immagini di oltre 300 getti quasar monitorati dal programma MOJAVE e hanno eseguito un'analisi automatizzata delle loro forme. Di conseguenza, il team ha scoperto 10 quasar con getti a forma di parabola che si evolvono in coni. Questa trasformazione poteva essere individuata a causa della relativa vicinanza dei quasar coinvolti:ognuno dei 10 si trovava a "semplici" milioni di anni luce di distanza. Il "flaring bootleg" si è verificato a una distanza di circa diverse decine di anni luce dal buco nero.
"Finora il meccanismo alla base della formazione e dell'accelerazione dei getti nelle galassie attive remote non è stato completamente compreso, eppure è fondamentale capire come funzionano questi acceleratori cosmici, ", ha affermato il professor Yuri Kovalev dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) e dell'Istituto di fisica Lebedev dell'Accademia delle scienze russa.
"La regione da cui provengono i getti è difficile da distinguere. È molto compatta, e la distanza da questi oggetti è così grande che tutto si confonde. Quindi, mentre erano disponibili più modelli teorici, non c'erano dati osservativi per testarli. Il nostro studio è il primo a riportare la geometria dettagliata dei getti basata su osservazioni di un gran numero di quasar, "aggiunse l'astrofisico.
Comprendere l'invisibile
La geometria del getto risulta da un'intricata interazione tra le forze interne ed esterne, il campo magnetico, il plasma, e il gas interstellare. Gli astrofisici hanno trovato un modo elegante per spiegare questi fattori. Un motore centrale costituito da un buco nero rotante e un campo magnetico fornisce un'alimentazione limitata e non può spingere le particelle a velocità sempre più elevate indefinitamente, proprio come un motore a razzo. Prima si sapeva che il plasma accelera facilmente solo fino a un certo punto. Dopodiché l'accelerazione è così lenta che si ferma effettivamente. È a questo punto che i pantaloni si allargano.
"Studi precedenti hanno indicato il cambiamento nella forma del getto di quasar osservato in alcune galassie. Tuttavia, non hanno tratto la conclusione che fosse una proprietà di tutti i quasar piuttosto che dei singoli oggetti interessati. Abbiamo appuntato questo effetto sulle caratteristiche interne dei getti, e quella spiegazione si è rivelata chiara e intuitiva, " ha affermato la dott.ssa Elena Nokhrina del MIPT.
Gli scienziati ora hanno un nuovo modo per valutare la velocità di rotazione del buco nero e dare un senso al meccanismo dietro la formazione dei getti di plasma incredibilmente focalizzati e rapidi nei quasar, così luminose da essere visibili a miliardi di anni luce di distanza.
