Astronomia gamma
Le radiogalassie e le galassie di Seyfert I Blazars L’origine dell’emissione gamma
I blazars
I blazars si suddividono in due grosse categorie: i BL Lacertae e i quasars con forte emissione radio a spettro piatto (FSRQs). Entrambe le categorie di oggetti rientrano nella grande famiglia dei Blazars per le loro proprietà simili nel continuo e per la loro caratteristica comune di presentare una struttura di fasci di particelle e radiazione ben collimati e puntati in direzione dell’osservatore. Ci sono comunque delle differenze tra queste due classi di oggetti: i quasar sono generalmente più distanti, più luminosi e presentano in ottico delle righe in emissione più intense, mentre nei BL Lac le righe in emissione sono completamente assenti.
Una delle più importanti scoperte in astrofisica degli anni ’90 è stata la scoperta dell’emissione di radiazione gamma da una cinquantina di quasars. Prima del lancio dell’osservatorio Compton, solo un AGN era stato osservato nella banda gamma, si trattava di 3C273, un quasar nella costellazione della vergine, osservato oltre i 100 MeV da COS-B. Tutti i quasar osservati con EGRET erano forti emettitori radio a spettro piatto, alcuni di essi erano addirittura conosciuti come sorgenti "superluminali". Tutte queste sorgenti parevano essere correlate con la classe dei Blazars, un’ampia classe di AGN costituita da BL Lacertae e quasar ad emissione polarizzata e velocemente variabile nel tempo. La connessione era stabilita dalla presenza di due getti di materia collimati e orientati in direzione prossima alla linea di vista. Poiché un blazar era già stato visto da COS-B ci si aspettava di scoprirne altri con EGRET. EGRET era un telescopio con un ampio campo di osservazione, era possibile inquadrare una vasta regione del cielo e quando venne puntato nella direzione della Vergine ci si aspettò di osservare 3C273 come il più luminoso oggetto ad emissione gamma di questa costellazione. 3C273 fu effettivamente osservato, ma la vera sorpresa fu quella di constatare la presenza nello stesso campo di osservazione di un’altra sorgente molto più luminosa di 3C273 e corrispondente con 3C279. L’assenza di 3C279 nelle osservazioni precedenti a quelle compiute con EGRET era da imputare all’elevata variabilità intrinseca di questi oggetti come emettitore gamma. Una successiva indagine sulla distribuzione spaziale di questi oggetti metteva in risalto come questa classe di nuclei galattici attivi non fosse confinata in una stretta regione del cosmo ma presentasse un’ampia distribuzione degli z cosmologici. Le implicazioni dell’osservazione di oggetti così luminosi a distanze così elevate sono parecchie. In primo luogo catalogando tutti gli AGN osservati nei raggi gamma appare una differenza spettrale tra le galassie di Seyfert e i Blazars: le prime vengono osservate soltanto in radiazione gamma di bassa energia, i secondi presentano un’emissione gamma di alta energia. Considerando poi l’emissione gamma di alta energia dei blazars, lo spettro emesso da questi oggetti si adatta molto bene ad una legge di potenza con indice spettrale -2,1.
Alcune proprietà di Centaurus A suggerivano che si trattasse di un blazar con i fasci polari non allineati con la nostra linea di vista. Questa ipotesi viene ulteriormente supportata dall’esistenza di radiazione gamma a bassa energia proveniente dal nucleo. Anche lo spettro di questa sorgente è peculiare, infatti presenta un cutoff a energie più elevate rispetto agli spettri delle altre radiogalassie.
Soltanto due blazars sono stati osservati ad energie di qualche TeV, si tratta di MRK421 e MRK501. I fotoni di queste energie subiscono un importante effetto di assorbimento a causa della radiazione di fondo cosmica. Un incontro tra un raggio gamma molto energetico e un fotone della radiazione di fondo (interazione fotone-fotone) produce una coppia elettrone-positrone e distrugge il fotone gamma al punto di aspettarci l’assenza di emissione a questi livelli di energia per tutti i blazars con z superiore a 0,5. Anche una sorgente luminosissima come 3C279 che si trova a z=0,54 presenta alle energie più elevate un forte assorbimento tanto da non essere più rilevabile ad energie di 0,5 TeV. Naturalmente queste affermazioni sono valide nell’ipotesi che l’andamento spettrale misurato tra 30 MeV e 10 GeV venga mantenuto anche per energie dei fotoni superiori a 0,5 TeV.
Per alcuni blazars osservati a basse energie con OSSE sono state messe in evidenza variazioni temporali del flusso di radiazione gamma; su altri blazars, che mostrano anche emissione ad alta energia, sono state messe in evidenza forti variazioni del flusso gamma su scale temporali del giorno. L’esempio più appariscente è stato proprio 3C279 che mostrò notevoli variazioni del flusso gamma con periodicità di due giorni e variazioni significanti su scale temporali di alcune ore.
La durata di queste variazioni vengono interpretate come limite superiore delle dimensioni dell’oggetto che le ha originate, e considerando che in un giorno la luce percorre 2,5·1010 km, e applicando le opportune correzioni relativistiche, otteniamo un oggetto di dimensioni confrontabili con quelle del sistema solare, decisamente piccolo se confrontato con le dimensioni della galassia ospite. Per avere un confronto, prendiamo in considerazione il raggio di Schwarzchild:
questo è il raggio dell’orizzonte degli eventi, cioè di quella sfera immaginaria sulla quale la velocità di fuga raggiunge la velocità della luce. Un buco nero di 1010 masse solari, come quello che si pensa essere presente nel nucleo di una galassia massiccia, si ottiene un raggio di 3·1010 km. Naturalmente la radiazione non potrà provenire dal buco nero centrale, ma dovrà essere prodotta in una regione molto prossima all’orizzonte degli eventi. Ci sono però delle implicazioni teoriche da considerare, anzitutto la densità dei fotoni sarà così elevata da rendere assai improbabile che un fotone possa fuggire (sempre a causa dell’interazione fotone-fotone), poi ci sono delle difficoltà teoriche nel trovare un meccanismo in grado di creare l’intensità dei raggi gamma osservati.
L’ipotesi più plausibile che è stata fatta prevede la produzione di fotoni gamma nei getti collimati di particelle vicino al nucleo o nei pressi di un’onda d’urto. L’idea della produzione all’interno dei getti comporta notevoli vantaggi, anzitutto riduce la potenza globale della sorgente consentendo di ottenere un’elevata luminosità ottica e gamma, in caso di getti orientati lungo la direzione di osservazione. Inoltre la presenza di particelle relativistiche in questi fasci, rende possibile utilizzare altri meccanismi di emissione più redditizi come l’effetto Compton inverso.
Consideriamo ora lo spettro dei blazars, rappresentiamolo ora con la curva nFn cioè del prodotto della frequenza con il flusso di energia. Durante le fasi di intensa emissione gamma la stragrande maggioranza dell’energia emessa dal nucleo galattico è relegata alla banda di energia gamma.
L’emissione dominante nei raggi gamma deve essere rivalutata in base ad alcune considerazioni: in primo luogo i blazars emittenti nei raggi gamma variano parecchio la loro luminosità e il valore medio è in realtà significativamente inferiore. Occorre poi considerare che solo un’esigua frazione dei blazars osservati in banda radio sono stati osservati anche nei raggi gamma. Questi indizi costituiscono un’importante punto a favore del modello di emissione gamma proveniente da due fasci di particelle relativistiche ben collimati lungo l’asse polare ed aventi un angolo solido di dispersione più stretto di quello presente in banda ottica o radio. Se queste conclusioni fossero corrette, la potenza emessa dal nucleo centrale non sarebbe più 1049 erg/s ma 1046 erg/s; questa rimane comunque una quantità di energia straordinariamente grande, specialmente se si considera che la sua produzione è dovuta a particelle relativistiche che interagiscono con fotoni e materia circostante.
In conclusione la legge di potenza degli spettri dei blazars appare essere una caratteristica universale che li accomuna, tutti blazars con emissione gamma presentano delle rapide variazioni di flusso ma la curva d’emissione gamma non costituisce una caratteristica universale e fa pensare a fenomeni imprevedibili
L’evoluzione dei Blazars (contiene elementi cosmologici e trattazione matematica più complessa)
