Quasar e Microquasar

Una quasar (contrazione di QUASi-stellAR radio source, cioè “radiosorgente quasi stellare”) è un nucleo galattico attivo estremamente luminoso. Il nome deriva dal fatto che questi oggetti, la cui natura è stata controversa fino ai primi anni ottanta, furono inizialmente scoperti come potenti sorgenti radio, la cui controparte ottica risultava puntiforme come una stella.

Si ritiene comunemente che tale grande luminosità sia originata dall’attrito causato da gas e polveri che cadono in un buco nero supermassiccio; essi formano un disco di accrescimento, che converte circa la metà della massa di un oggetto in energia. Il termine QUASAR è stato coniato nel 1964 dall’astrofisico Hong-Yee Chiu.

Buchi neri supermassicci

Negli anni ’80 si svilupparono dei modelli unificati in cui i quasar erano visti come una classe di galassie attive, e il consenso generale è che solo l’angolo di vista li distingue dalle altre classi, come le galassie di Seyfert, le quali, come già detto, hanno uno spettro simile, o i blazar o le radiogalassie (Barthel, 1989). L’enorme luminosità dei quasar è spiegata come il risultato dell’attrito causato da gas e polveri che cadono in un buco nero supermassiccio formando un disco di accrescimento, meccanismo che può convertire circa la metà della massa di un oggetto in energia, contro i pochi punti percentuali dei processi di fusione nucleare, anche se i meccanismi esatti di questa enorme produzione di energia sono ancora sconosciuti.

Questo meccanismo è usato anche per spiegare come mai i quasar fossero più comuni nell’Universo primitivo, perché la produzione di energia cessa quando il buco nero supermassiccio ha consumato tutto il gas, polveri e stelle attorno a sé. Questo significa che è possibile che la maggior parte delle galassie, compresa la nostra Via Lattea, sia passata attraverso una fase di galassia attiva e sia adesso quiescente per mancanza di rifornimento di materia del buco nero. Implica inoltre che un quasar si possa riaccendere se nuova materia viene sospinta verso il centro della galassia. Questo è quello che succede in molte galassie interagenti, e in effetti la proporzione di quasar tra queste è più alta che tra le galassie normali.

Proprietà

Dal catalogo Milliquas sono noti centinaia di migliaia di quasar. Lo spostamento verso il rosso è compreso tra z=0.056 e z=7.085, il che implica distanze piuttosto elevate (dell’ordine dei miliardi di anni luce). Questo nonostante la luminosità tipica di questi oggetti sia dell’ordine di 10¹³ L_☉, ovvero pari a quella di centinaia di galassie. Una simile luminosità è così estremamente elevata, che probabilmente i quasar sono gli oggetti più luminosi di tutto l’universo.

Nonostante tali enormi luminosità, le dimensioni dei quasar sono confrontabili con quelle del sistema solare, e comunque non più grandi di pochi anni luce. Tali dimensioni sono stimate grazie al fatto che la luminosità dei quasar è fortemente variabile (anche del 100%) e con un periodo piuttosto breve, da poche ore a qualche mese e considerando che, da un punto di vista relativistico, un oggetto non può cambiare luminosità più velocemente del tempo che la luce impiega ad attraversarlo.

L’altro aspetto caratteristico, evidente fin dalle prime osservazioni, è che i quasar hanno uno spettro notevolmente esteso su tutte le frequenze, dai raggi gamma, ai raggi X al lontano infrarosso e, per il 10% dei quasar noti, fino alle frequenze radio. Molti quasar mostrano inoltre anche un eccesso ultravioletto, emettendo in tale stretta banda la stessa energia che emettono in tutte le altre bande.

Implicazioni cosmologiche dei quasar

Il più intenso spostamento verso il rosso conosciuto per un quasar, appartenente al quasar scoperto nel 2011, ULAS J1120+0641, è di 7,085±0,003, equivalente ad una distanza comovente di 28,85 miliardi di anni luce; quindi si tratta del quasar più distante conosciuto. Tale notevole distanza implica che questo quasar si fosse già formato a soli 770 milioni di anni dal Big Bang. I quasar osservabili più vecchi sono quindi posti all’inizio della formazione ed evoluzione delle galassie.

Il fatto che i quasar fossero più frequenti nelle fasi iniziali dell’universo è stato utilizzato da Maarten Schmidt nel 1967 come argomento a favore della teoria del Big Bang contro la teoria antagonista dello stato stazionario di Fred Hoyle. I quasar presentavano infatti elevati spostamento verso il rosso cosmologico (redshift), indice del loro allontanamento. Va detto anche che, recentemente, sono stati scoperti quasar con redshift non cosmologico ma dovuto alla presenza di buchi neri.

Altre caratteristiche

I quasar suggeriscono anche alcuni indizi sulla fine della reionizzazione dell’universo. Quelli più vecchi presentano chiare regioni di assorbimento, il che indica che il mezzo intergalattico del tempo era gas neutro. I quasar più recenti non mostrano regioni di assorbimento, ma piuttosto un’area confusa conosciuta come la foresta Lyman-alfa. Questo indica che il mezzo intergalattico ha subito una reionizzazione ridiventando plasma, e che il gas neutro esiste solo in piccole nubi.

Un’altra caratteristica interessante dei quasar è che mostrano evidenze di elementi più pesanti dell’elio. Questo è preso come indizio del fatto che le galassie, all’inizio della loro vita, hanno attraversato una fase di massiccia formazione stellare creando stelle di popolazione III tra il tempo del Big Bang e i primi quasar osservati.

Il telescopio spaziale Spitzer nel 2005 ha osservato luce che potrebbe provenire da tali stelle, ma manca ancora una conferma definitiva.

Le Microquasar

Le microquasar sono dei corpi celesti imparentati con le quasar. Prendono il nome da queste ultime poiché hanno alcune caratteristiche comuni: emissioni radio forti e variabili, spesso viste come getti radio, e un disco di accrescimento che circonda un buco nero. Nelle quasar, il buco nero è supermassiccio (milioni di masse solari) mentre nelle microquasar, la massa del buco nero è di poche masse solari. Nelle microquasar, la massa accresciuta deriva da una normale stella e il disco di accrescimento è molto luminoso nello spettro visibile e nei raggi X. Le microquasar vengono talvolta chiamate ‘binarie a raggi X a getto radio’ per distinguerle da altre binarie a raggi X. Una parte dell’emissione radio proviene da getti relativistici, mostrando spesso un moto superluminale apparente.

Le microquasar sono molto importanti per lo studio dei getti relativistici. I getti si formano vicino al buco nero, e le scale dei tempi vicino al buco nero sono proporzionali alla massa di questo. Quindi le quasar ordinarie possono impiegare secoli per passare attraverso le variazioni che una microquasar sperimenta in un giorno.