Galassie lontane e Quasar

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1 Irene BARGELLI Giulia CORSANO Galassie lontane e Quasar Classe 5^L a.s. 2010/11

2 QUASAR, L'INFANZIA DELLE GALASSIE

3 Nell'Universo le stelle non sono isolate, ma organizzate in sistemi chiamati galassie. Esse contengono miliardi di stelle, polveri e gas Esistono quattro tipi fondamentali di galassie: ellittiche, spirali, irregolari e spirali barrate.

4 Quasi Stellar Object... I quasar sono corpi così brillanti da sembrare oggetti stellari ordinari. In realtà non si tratta di stelle ma di oggetti estremamente luminosi, situati ai limiti dell'universo osservabile.

5 3C 273 Questo è uno dei quasar più vicini a noi e il più luminoso conosciuto, uno dei più studiati, soprattutto per la struttura. Situato a 3 miliardi di anni luce, risulta più luminoso di 1000 galassie contenenti cento miliardi di stelle ciascuna. Se si trovasse alla distanza di 32 anni luce dalla Terra, illuminerebbe il cielo quanto il Sole. Grazie alla sua osservazione, si è iniziato a comprendere la natura dei processi fisici alla basa di queste sorgenti di energia.

6 I LIMITI OSSERVABILI DELL'UNIVERSO La distanza dei QSO, calcolata sfruttando l'effetto Doppler, risulta essere dell'ordine di miliardi di anni luce. I quasar hanno una luminosità di natura sconosciuta: non è stato infatti possibile definire quale sia la fonte di energia in grado di giustificare un'emissione così potente.

7 LA STRUTTURA DELL'UNIVERSO PRIMORDIALE La loro enorme distanza ci permette di indagare sulla struttura dell'universo: la luce che ci giunge da questi corpi, infatti, è partita miliardi di anni fa, quando questi oggetti (e lo stesso Universo) erano molto giovani. Poiché la velocità della luce è finita la radiazione dei quasar che oggi osserviamo è stata emessa miliardi di anni fa. In questo senso si dice che a volte i quasar possono rappresentare l' infanzia delle galassie!

8 Le galassie lontane e i quasar LE GALASSIE LONTANE Le galassie sono agglomerati di stelle che ruotano attorno al comune centro di massa, secondo la legge della gravitazione. Esistono circa milioni di galassie. Prima di essere riconosciute come tali, molte galassie erano state catalogate, assieme alle nebulose e ad altri oggetti, dall'astronomo francese Charles Messier, per questo motivo molte di loro sono classificate con una lettera M seguita da un numero. Nel 1926 l'astronomo Hubble classificò tutte le galassie conosciute in quattro tipi fondamentali basati sulla forma: irregolari, ellittiche, spirali e spirali barrate. Le quasar, altro tipo di galassia, furono scoperte nel 1960, ma non sono a tutt'oggi ben conosciute perché, nonostante la grande luminosità, si trovano a migliaia di milioni di anni luce dalla Terra. I quasar (quasi stellar object) potrebbero essere galassie attive, infatti sono corpi così brillanti da sembrare oggetti stellari ordinari.

9 I QUASAR I quasar sono tra gli oggetti celesti piu' misteriosi e affascinanti conosciuti. Si tratta di galassie lontanissime, le più lontane a noi note, che emettono una enorme quantità di energia dalla regione nucleare. I quasar sono conosciuti da pochi decenni, e la loro scoperta, come spesso capita in astronomia, e' stata casuale. Essi appaiono al telescopio come dei puntini luminosi, di aspetto stellare. Il loro spettro mostra però delle caratteristiche diverse dalle stelle: la loro radiazione ci arriva con una lunghezza d'onda maggiore. Questo e' dovuto al fatto che sono oggetti extragalattici lontani miliardi di anni luce in rapido allontanamento. Esse sono appena visibili a causa della loro enorme distanza. Per questo motivo, la luminosità ottica dei quasar e' molto bassa. Questi oggetti sono stati inizialmente individuati in base alla loro emissione radio. Negli anni '50, i primi radioastronomi avevano catalogato molte radiosorgenti, di natura allora sconosciuta; tuttavia, il potere risolutivo dei radiotelescopi di allora era molto scarso e non permetteva di determinare con precisione la posizione delle radiosorgenti e di stabilire quindi di che tipo di sorgente si trattasse

10 Nei primi anni '60, i nuovi radiotelescopi permisero di ricavare la posizione esatta di alcune di queste sorgenti radio. Una parte di esse furono quindi identificate con nebulose, resti di supernova o radiogalassie. Nel 1960 si scopri' che 3C 48, un oggetto del catalogo delle sorgenti radio, corrispondeva nell'ottico ad un oggetto blu, debolissimo, dall'apparenza stellare. Anche il suo spettro era insolito, ricco di righe di emissione. In seguito vennero scoperte altre radiosorgenti di questo tipo, ma si penso' che fossero semplicemente delle stelle peculiari con emissione radio. Successivamente, altre sorgenti radio compatte furono identificate con oggetti di apparenza stellare e questa categoria di astri venne chiamata "quasar" (abbreviazione di "sorgenti radio quasi stellari"). La natura extragalattica dei quasar fu scoperta solo nel 1963 dall'astronomo Maarten Schmidt. Egli si accorse che le righe spettrali emesse dalla radiosorgente 3C 273 avevano lunghezze d'onda distanziate nello stesso modo delle righe dell'idrogeno. Supponendo che questo redshift fosse dovuto all'effetto Doppler, questo significava che il 3C 273 si stava allontanando da noi a Km/s, velocità troppo alta per una stella: doveva trattarsi di una sorgente al di fuori della nostra galassia e anche molto lontana.

11 Dopo questa scoperta, altre radiosorgenti e quasar vennero esaminati, e per tutti il verdetto fu lo stesso: si trattava di oggetti extragalattici distanti miliardi di anni luce! Calcolando, in base alla distanza e alla luminosità apparente, la loro luminosità intrinseca, si scoprì che questi oggetti irradiano con una potenza enorme, pari a centinaia di volte quella delle galassie più brillanti. Studiando la luminosità dei quasar, si scopri' anche che essa aumenta e diminuisce, a volte quasi periodicamente, con tempi scala di pochi giorni o settimane.. Ma qual e' il motore centrale dei quasar? Non certo le reazioni nucleari che avvengono all'interno delle stelle: anche sommando i contributi di tutte le stelle di una galassia, non si otterrebbe una potenza paragonabile a quella di un quasar, e soprattutto non concentrata in una regione cosi' piccola. Si pensa che questo tipo di oggetti sia alimentato, da un gigantesco buco nero situato nel nucleo della galassia. Attorno ad esso ci sarebbe un disco di accrescimento di gas e stelle in rapida rotazione attorno al suo asse; dal disco, la materia cadrebbe continuamente sul buco nero producendo radiazione con una potenza enorme. Basterebbe che il buco nero accrescesse ogni anno una massa di poco superiore a quella del Sole per spiegare la luminosita' osservata

12 Uno dei piu' importanti motivi che spingono gli astrofisici a studiare i quasar risiede nella loro enorme distanza: i quasar piu distanti si trovano a 13 miliardi di anni luce di distanza e più! Poiché la velocità della luce è finita, questo significa anche che la radiazione dei quasar che oggi osserviamo è stata emessa miliardi di anni fa: questi oggetti ci appaiono com'erano nei primi miliardi di anni di vita dell'universo... In questo senso si dice a volte che i quasar possono rappresentare l' "infanzia" delle galassie. I quasar appartengono alla grande famiglia dei nuclei galattici attivi che, come dice il nome, sono galassie il cui nucleo manifesta un' insolita attività energetica: intensi processi di formazione stellare o forse, addirittura, l'accrescimento di materia da parte di un buco nero massiccio centrale. Secondo le più recenti ipotesi, questi sarebbero riconducibili allo stesso tipo di sorgente e le diverse forme sotto cui essi si manifestano sarebbero dovute esclusivamente al diverso angolo visuale sotto cui viene visto il nucleo attivo dall'osservatore terrestre. Un modello alternativo riconduce invece l'altissima luminosità del nucleo galattico alla presenza di un ammasso compatto di stelle in corso di formazione: la frequente esplosione di supernovae, resa particolarmente efficace dall'altissima densità del mezzo interstellare, spiegherebbe la variabilità e le principali caratteristiche di questi nuclei galattici attivi.

13 Ancora un altro modello si affaccia all'ipotesi di cosa sono i quasar: essi potrebbero essere le zone più centrali delle galassie, addirittura potrebbe trattarsi di nuclei protogalattici. I quasar al loro centro possiedono dei buchi neri molto massicci che come si è ipotizzato prima danno energia al quasar per avere una luminosità cosi elevata e grandi emissioni radio, nel corso del tempo questa energia si attenua e il quasar va ad emettere la stessa quantità di energia di una galassia normale.. Questa idea potrebbe trovare conferma nella continua osservazione di oggetti più distanti, infatti guardando sempre più lontano e indietro nel tempo, si nota, che le galassie diminuiscono e i quasar aumentano, in poche parole tutte le galassie al loro interno possiedono un nocciolo protogalattico chiamato quasar, questo può essere attivo se il suo motore viene alimentato dalla caduta massiccia di materiale al suo interno, mentre risulta tranquillo se esso viene o no alimentato dalle stelle circostanti, un esempio è la nostra Via Lattea

14 Il semplice fatto che esistano quasar in un passato così remoto e che le caratteristiche di elementi quali il carbonio, il silicio, l'azoto, l'ossigeno siano ben visibili nei loro spettri dimostra che ciò che ha prodotto tali elementi, a partire dalla misura di idrogeno ed elio primordiale, era già attiva prima di miliardi di anni fa. Spingendo le osservazioni fino ad oggetti sempre più deboli, l'incremento del numero di quasar è così rapido da mostrare senza ombra di dubbio che un evoluzione è intervenuta: nel passato sono visibili molti più quasar di quanto avvenga nell'epoca presente, il che dimostra l'infondatezza del modello cosmologico dello Stato Stazionario. Ma dall'approfondimento delle analisi emergono indicazioni ancora più significative. A spiegare il reale andamento dei conteggi non è l'esistenza di molti più quasar nel passato, ma invece la loro maggiore luminosità. I quasar sarebbero nati circa 15 miliardi di anni fa e avrebbero raggiunto il loro massimo splendore circa 7 miliardi di anni or sono; da allora si può dire che vadano lentamente spegnendosi.

15 Perché questo? E' possibile che in quelle epoche la maggiore quantità di gas disponibilie nel loro centro o le più frequenti interazioni con altre galassie fornissero ai buchi neri centrali abbondante materiale con cui cibarsi. Per quanto osservabili per un periodo lunghissimo, confrontabile con l'età stessa dell'universo, i quasar costituirebbero quindi un episodio temporalmente limitato nella vita delle galassie. Non appare verosimile l'idea dell'esistenza di quasar vissuti per gran parte della vita dell'universo, poichè questi lascerebbero dietro di se buchi neri di masse formidabili al centro delle galassie che li ospitano. Sembra invece assai più plausibile che un numero relativamente grande di galassie attive attraversi periodicamente delle fasi di "accensione": ciò sembra confermato dalla probabile osservazione di buchi neri quiescenti al centro di alcune galassie normali a noi vicine e forse la nostra stessa Via Lattea. Purtroppo, pur essendo potentissime sorgenti di luce, i quasar non possiedono una luminosità standard, uguale per tutti; se così fosse stato, sarebbe risultato facile usarli per calcolare la geometria del nostro Universo, determinando, ad esempio, se l'espansione continuerà per sempre oppure se un domani si tramuterà in un collasso.