I ricercatori che utilizzano il prossimo telescopio spaziale James Webb della NASA mapperanno e modelleranno il nucleo della vicina galassia Centaurus A.

Centaurus A è un gigante di una galassia, ma le sue apparenze nelle osservazioni del telescopio possono essere ingannevoli. Vicoli di polvere scura e giovani ammassi di stelle blu, che attraversano la sua regione centrale, sono evidenti nell'ultravioletto, visibile, e la luce del vicino infrarosso, dipingendo un paesaggio abbastanza sommesso. Ma passando alle visualizzazioni a raggi X e radio, una scena molto più rauca inizia a svolgersi:dal nucleo della galassia ellittica deforme, spettacolari getti di materiale sono eruttati dal suo buco nero supermassiccio attivo, noto come nucleo galattico attivo, inviando materiale nello spazio ben oltre i limiti della galassia.

Che cosa, precisamente, sta accadendo al suo interno per causare tutta questa attività? Le prossime osservazioni guidate da Nora Lützgendorf e Macarena García Marín dell'Agenzia spaziale europea utilizzando il James Webb Space Telescope della NASA consentiranno ai ricercatori di sbirciare attraverso il suo nucleo polveroso in alta risoluzione per la prima volta per iniziare a rispondere a queste domande.

"C'è così tanto da fare in Centaurus A, " spiega Lützgendorf. "Il gas della galassia, disco, e le stelle si muovono tutte sotto l'influenza del suo buco nero supermassiccio centrale. Poiché la galassia è così vicina a noi, potremo usare Webb per creare mappe bidimensionali per vedere come si muovono il gas e le stelle nella sua regione centrale, come sono influenzati dai getti del suo nucleo galattico attivo, e infine caratterizzare meglio la massa del suo buco nero."

Un rapido sguardo indietro

Premiamo "riavvolgi" per rivedere un po' di ciò che è già noto su Centaurus A. È ben studiato perché è relativamente vicino, a circa 13 milioni di anni luce di distanza, il che significa che possiamo chiaramente risolvere l'intera galassia. La prima notizia è stata registrata a metà del 1800, ma gli astronomi persero interesse fino agli anni '50 perché la galassia sembrava essere un luogo tranquillo, se deforme, galassia ellittica. Una volta che i ricercatori furono in grado di iniziare a osservare con i radiotelescopi negli anni '40 e '50, Centaurus A è diventato radicalmente più interessante e sono apparsi i suoi getti. Nel 1954, i ricercatori hanno scoperto che Centaurus A è il risultato di due galassie che si sono fuse, che è stato successivamente stimato che si è verificato 100 milioni di anni fa.

Con ulteriori osservazioni nei primi anni 2000, i ricercatori hanno stimato che circa 10 milioni di anni fa, il suo nucleo galattico attivo ha emesso getti gemelli in direzioni opposte. Quando esaminato attraverso lo spettro elettromagnetico, dai raggi X alla luce radiofonica, è chiaro che c'è molto di più in questa storia che dobbiamo ancora imparare.

"Gli studi a più lunghezze d'onda di qualsiasi galassia sono come gli strati di una cipolla. Ogni lunghezza d'onda ti mostra qualcosa di diverso, ", ha detto Marín. "Con gli strumenti nel vicino e medio infrarosso di Webb, vedremo gas e polvere molto più freddi rispetto alle osservazioni precedenti, e imparare molto di più sull'ambiente al centro della galassia."

Visualizzazione dei dati di Webb

Il team guidato da Lützgendorf e Marín osserverà il Centauro A non solo scattando immagini con Webb, ma raccogliendo dati noti come spettri, che diffonde la luce nelle sue lunghezze d'onda componenti come un arcobaleno. Gli spettri di Webb riveleranno informazioni ad alta risoluzione sulle temperature, velocità, e composizioni della materia al centro della galassia.

In particolare, Il Near Infrared Spectrograph di Webb (NIRSpec e Mid-Infrared Instrument (MIRI) fornirà al team di ricerca una combinazione di dati:un'immagine più uno spettro all'interno di ciascun pixel di quell'immagine. Ciò consentirà ai ricercatori di costruire complesse mappe 2D dal spettri che li aiuteranno a identificare cosa sta succedendo dietro il velo di polvere al centro e ad analizzarlo da molte angolazioni in profondità.

Confronta questo stile di modellazione con l'analisi di un giardino. Allo stesso modo i botanici classificano le piante in base a specifici insiemi di caratteristiche, questi ricercatori classificheranno gli spettri dal MIRI di Webb per costruire "giardini" o modelli. "Se scatti un'istantanea di un giardino da molto lontano, "Marin ha spiegato, "Vedrai qualcosa di verde, ma con Webb, potremo vedere singole foglie e fiori, i loro steli, e forse il terreno sottostante."

Mentre il team di ricerca scava negli spettri, costruiranno mappe da singole parti del giardino, confrontare uno spettro con un altro spettro vicino. Questo è analogo a determinare quali parti contengono quali specie di piante sulla base di confronti di "steli, " "fogliame, " e "fiori" mentre vanno.

"Quando si tratta di analisi spettrale, conduciamo molti confronti, " Marín continuò. "Se confronto due spettri in questa regione, forse scoprirò che ciò che è stato osservato contiene una popolazione prominente di giovani stelle. Oppure verifica quali aree sono sia polverose che riscaldate. O forse identificheremo l'emissione proveniente dal nucleo galattico attivo".

In altre parole, l'"ecosistema" degli spettri ha molti livelli, che consentirà al team di definire meglio con precisione cosa è presente e dove si trova, il che è reso possibile dagli strumenti a infrarossi specializzati di Webb. E, poiché questi studi si baseranno su molti che sono venuti prima, i ricercatori potranno confermare, perfezionare, o aprire nuovi orizzonti identificando nuove funzionalità.

Pesare il buco nero in Centaurus A

La combinazione di immagini e spettri forniti da NIRSpec e MIRI consentirà al team di creare mappe ad altissima risoluzione delle velocità del gas e delle stelle al centro di Centaurus A. "Abbiamo in programma di utilizzare queste mappe per modellare come l'intero disco al centro della galassia si sposta per determinare con maggiore precisione la massa del buco nero, " spiega Lützgendorf.

Poiché i ricercatori capiscono come la gravità di un buco nero governa la rotazione del gas vicino, possono utilizzare i dati Webb per pesare il buco nero in Centaurus A. Con un set più completo di dati a infrarossi, determineranno anche se le diverse parti del gas si comportano tutte come previsto. "Non vedo l'ora di compilare completamente i nostri dati, " disse Lützgendorf. "Spero di vedere come si comporta e come gira il gas ionizzato, e dove vediamo i getti."

I ricercatori sperano anche di aprire nuove strade. "È possibile che troveremo cose che non abbiamo ancora considerato, " Spiega Lützgendorf. "In alcuni aspetti, copriremo un territorio completamente nuovo con Webb." Marín concorda con tutto il cuore, e aggiunge che costruire su una vasta gamma di dati esistenti è inestimabile. "L'aspetto più entusiasmante di queste osservazioni è il potenziale per nuove scoperte, " ha detto. "Penso che potremmo trovare qualcosa che ci faccia guardare indietro ad altri dati e reinterpretare ciò che è stato visto in precedenza".

Questi studi su Centaurus A saranno condotti come parte dei programmi MIRI e NIRSpec Guaranteed Time Observations di Gillian Wright e Pierre Ferruit. Tutti i dati di Webb verranno infine archiviati nell'Archivio Barbara A. Mikulski per i telescopi spaziali (MAST) accessibile al pubblico presso lo Space Telescope Science Institute di Baltimora.