Al centro di Abell 1201, una galassia distante circa 2,7 miliardi di anni luce da noi e collocata al centro di un ammasso di migliaia di altre galassie, si trova un buco nero di dimensioni gigantesche: ha una massa di oltre 30 miliardi di stelle come il Sole, tutta concentrata in uno spazio relativamente piccolo.
È la scoperta arrivata da una ricerca coordinata da James Nightingale, dell’Università di Durham nel Regno Unito, basata sui dati rilevati dal telescopio spaziale Hubble.
Lo studio, pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, è stato realizzato sfruttando una lente gravitazionale, un fenomeno di distorsione della luce dovuto alla presenza di grandi masse previsto dalle relatività.
“Sicuramente – ha commentato Crescenzo Tortora, dell’Osservatorio Astronomico di Capodimonte dell’Istituto Italiano di Astrofisica (Inaf) – è uno dei buchi neri più grandi mai identificati e questo basta a renderlo interessante, ma a rendere il lavoro ancor più importante è il metodo con cui è stato identificato, ossia l’uso di una lente gravitazionale. Si tratta di un fenomeno di distorsione della luce, già previsto dalla relatività di Einstein, che si sta iniziando a utilizzare in modo concreto solo in questi ultimi anni e permette di aprire nuove possibilità per l’astronomia. In questo caso ha permesso di ‘pesare’ il buco nero al centro di Abell 1201 e misurarne con precisione la sua incredibile massa”.
Il telescopio spaziale Imaging X-ray Polarimetry Explorer (Ixpe), nato dalla collaborazione tra la Nasa e l’Agenzia spaziale italiana (Asi), ha osservato il cuore della Nebulosa del Granchio e grazie allo studio dell’emissione di raggi X polarizzati ha permesso di ricostruirne per la prima volta la struttura del campo magnetico. Le osservazioni ad alta risoluzione di Ixpe hanno anche permesso la prima identificazione dell’emissione di raggi X polarizzati emessi dalla pulsar che si trova all’interno della nebulosa. Questi risultati gettano nuova luce sulla struttura interna di questo sistema, dove le particelle vengono accelerate ad alte energie e viene prodotta radiazione non termica, e allo stesso tempo pongono importanti vincoli agli attuali modelli teorici che descrivono il comportamento della pulsar e della nebulosa che la circonda. La pulsar del Granchio e la sua nebulosa sono tra i sistemi astrofisici più studiati e costituiscono uno degli ambienti più affascinanti e promettenti dove si possono osservare fenomeni cosmici di alta energia come l’accelerazione delle particelle, la fisica dei plasmi relativistici e i processi non termici.
Sono nate insieme – nebulosa e pulsar del Granchio – dall’esplosione di una supernova osservata in Cina la notte del 4 luglio 1054, e condividono altri primati: il primo oggetto nel Catalogo Messier, il primo resto di supernova identificato, la prima sorgente di radiazione di sincrotrone, la prima radio sorgente identificata con una controparte ottica, solo per citarne alcuni. Dal lancio del satellite Oso-8 nel 1975, la Nebulosa del Granchio è stata la prima e per molto tempo l’unica sorgente di raggi X la cui polarizzazione fosse rilevata. La polarizzazione nelle sorgenti di sincrotrone, dove la radiazione è prodotta da elettroni relativistici che spiraleggiano in un campo magnetico, suggerisce agli scienziati in quale direzione è orientato il campo magnetico medio, e in parte quanto è ordinato questo stesso campo magnetico. I raggi X, d’altra parte, provengono dalle stesse regioni in cui quegli elettroni sono accelerati.
Un team di astronomi guidato dal ricercatore Luca Di Mascolo dell’Università di Trieste ha osservato per la prima volta le fasi iniziali di formazione di un ammasso di galassie. Gli ammassi di galassie sono le strutture cosmiche gravitazionalmente legate più grandi dell’universo e, come suggerisce il nome, contengono fino a diverse migliaia di galassie, oltre che materia oscura e un alone diffuso di gas caldo, il cosiddetto intracluster medium (Icm). Si tratta di un gas che di fatto ha una massa che supera notevolmente quella delle galassie stesse e ne permea lo spazio tra l’una e l’altra. Lo studio, pubblicato su Nature, ha investigato il protoammasso associato alla galassia Spiderweb, così chiamata perché ricorda un gigantesco ragno cosmico intento a divorare galassie più piccole come mosche catturate in una ragnatela.
Spiderweb è destinato a diventare una delle più grandi strutture dell’universo ed è posto a una distanza che corrisponde a quando l’universo stesso era 10 miliardi di anni più giovane di adesso. In particolare l’analisi di Di Mascolo ha rivelato, per la prima volta, la grande quantità di gas caldo dell’Icm nella fase “gestazionale” degli oggetti più grandi del cosmo a così grandi distanze.
Lo studio ha osservato il gas nel protoammasso di galassie Spiderweb attraverso il cosiddetto effetto Sunyaev-Zeldovich (Sz) termico. Questo effetto si verifica quando la luce del fondo cosmico a microonde (la radiazione fossile prodotta dal Big Bang) attraversa il gas stesso. Quando questa luce interagisce con gli elettroni in rapido movimento nel gas caldo, il suo colore, o lunghezza d’onda, cambia leggermente. “Alle giuste frequenze, l’effetto Sz da un ammasso di galassie appare come un’ombra sul fondo cosmico a microonde”, spiega Di Mascolo. Misurando queste ombre gli astronomi possono quindi dedurre l’esistenza del gas caldo, stimarne la massa e la pressione e mapparne la struttura. “Grazie alla sua impareggiabile risoluzione e sensibilità, Alma è l’unico telescopio attualmente in grado di eseguire una misura di questo tipo”, spiega ancora Di Mascolo.
Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) è un telescopio modernissimo per studiare l’universo alle lunghezze d’onda millimetriche. Sorge sull’altopiano di Chajnantor nelle Ande cilene ed è gestito dall’Eso (lo European Southern Observatory, di cui l’Italia è uno stato membro), in collaborazione con i suoi partner internazionali. È composto da 66 antenne di alta precisione, disseminate a distanze che raggiungono i 16 chilometri e consente la raccolta di dati fondamentali per scoprire i meccanismi che regolano il cosmo.
“Questo studio, uno dei risultati principali ottenuti dal progetto Erc a cui stiamo lavorando, ci permette di capire l’ambiente in cui il protoammasso si sta formando. In un certo senso stiamo osservando il nido della Spiderweb galaxy”, spiega Alex Saro, il ricercatore che ha ideato, proposto e gestito le osservazioni del protoammasso Spiderweb eseguite da Alma.
Tony Mroczkowski, coautore del lavoro e ricercatore dell’Eso, spiega che “Il fenomeno osservato presenta enormi contrasti. Il gas caldo distruggerà gran parte di quello freddo durante l’evoluzione del sistema: stiamo assistendo a una delicata transizione. Questo studio fornisce una conferma osservativa delle previsioni teoriche di lunga data sulla formazione degli oggetti legati gravitazionalmente più grandi dell’universo”.
“Lo studio pubblicato su Nature dimostra come combinando sofisticati metodi di analisi dei dati ricavati dai telescopi più avanzati e le simulazioni ottenute con il calcolo ad alte prestazioni si possano aprire nuove vie alla comprensione della formazione delle strutture cosmiche”, dice Stefano Borgani che, assieme ad Alex Saro (entrambi Università di Trieste e Inaf) ed Elena Rasia (Inaf-Trieste), ha svolto le simulazioni numeriche all’interno dello studio. Il team italiano ha coinvolto anche ricercatori che da anni lavorano allo studio dei proto ammassi utilizzando una varietà di tecniche osservative, dalla banda radio (Maurilio Pannella – Università di Trieste e Inaf), a quella ottica (Laura Pentericci dell’Inaf di Roma; Mario Nonino dell’Inaf di Trieste), ai raggi X (Paolo Tozzi dell’Inaf di Arcetri).
“Le simulazioni cosmologiche hanno previsto la presenza di gas caldo nei protoammassi da oltre un decennio, ma mancavano finora le conferme osservative”, conclude Rasia.