La scoperta del faro più lontano da noi
Difficoltà

Per la seconda volta dall’inizio dell’anno, il mondo dell’astrofisica si è imbattuto nella scoperta di oggetti molto distanti da noi (quasar ad alto redshift). Lo studio di questi oggetti ha reso possibile individuare quello più lontano da noi mai osservato.

Bar Scienza ha raggiunto a Santiago del Cile Chiara Mazzucchelli, coautrice di entrambe le pubblicazioni. 

Racconta in due parole chi sei e come ti sei trovata a dedicarti a questa linea di ricerca.

Sono un’ astrofisica del Max Planck Institute di Heildeberg, attualmente dislocata presso la sede ESO in Cile, dove passo molto tempo ad osservare il cielo con i giganteschi telescopi dell’istituto.

Questa posizione è  una naturale evoluzione del mio percorso di studi. In questo gruppo di ricerca ho infatti svolto sia la mia tesi di laurea che di dottorato e ora sono al primo incarico come “ post-doc”, ovvero il mio primo incarico dopo il dottorato. Il contratto è in collaborazione ( fellowship) con  l’European Southern Observatory (ESO), quindi sono dislocata a Santiago del Cile dove mi occupo dell’osservazione con i telescopi ESO in questa zona.

In che cosa consiste la vostra linea di ricerca?

Ci occupiamo di ricercare e descrivere i quasar ad alto redshift. Si tratta di oggetti molto importanti per la cosmologia e l’astrofisica perché rappresentano, anche se parzialmente,  le condizioni dell’universo in giovane età.

[Rappresentazione pittorica di un quasar – NASA/JPL-Caltech, Public domain, via Wikimedia Commons]

A differenza delle galassie “standard” dell’epoca, che sono molto deboli, questi oggetti sono dei veri e propri fari e per questo sono i candidati ideali per cercare di capire come è fatto l’universo giovane, all’epoca della cosiddetta reionizzazione, quando si sono formate le prime stelle. Si tratta di un periodo in cui, circa 13 miliardi di anni fa, le prime nubi di gas aggregate per effetto della gravità si sono “accese” formando le prime stelle. La radiazione emessa da queste stelle, ha fornito energia alla materia circostante, eccitandola.

Inoltre, lo studio di questi oggetti favorisce la comprensione dell’origine delle prime popolazioni stellari e dei primi buchi neri, e permette di investigare come si sono formate le prime galassie e i primi ammassi di galassie. 

Come si scopre un quasar ad alto redshift?

Il primo passo è selezionare i candidati da un catalogo fotometrico, cioè da un catalogo che presenta l’emissione luminosa (cioè la quantità di luce emessa da una sorgente) delle galassie in diverse bande dello spettro visibile. I candidati presentano un’alterazione tipica del loro spettro, il cosiddetto Ly-alpha-break, cioè l’emissione della linea Lyman-alpha dello spettro dell’idrogeno è molto bassa. Questa  linea è caratteristica dell’idrogeno atomico ed è quindi associata a stelle giovani. Il suo assorbimento avviene ad opera di nubi di gas situate in una regione più esterna della galassia rispetto a quella in cui si trovano le stelle. Il gas assorbe questa radiazione schermandola ad un osservatore posto al suo esterno. La lunghezza d’onda a riposo della riga Lyman alpha è di 121nm, quindi per un oggetto a redshift 6-7, questo corrisponde a una lunghezza d’onda 7-8 volte maggiore, dell’ordine del um, cioé nella regione dello spettro del vicino infrarosso. Un oggetto che presenta questa segnatura in questa banda viene eletto a candidato.

Il secondo, fondamentale passo, è di eseguire uno spettro di emissione dell’oggetto con una risoluzione molto più spinta di quella del catalogo (0,5nm, circa 20 volte maggiore) alla ricerca del Ly-alpha break.

[Spettro della sorgente P172+18 che mostra l’assorbimento della linea Ly-alpha. Per gentile concessione dell’autrice]

Un’ulteriore conferma viene da ultimo dalla correlazione con un catalogo di oggetti a forte emissione nella banda radio dello spettro, dato che spesso i quasar emettono molta radiazione in banda radio. In sostanza, si tratta di una ricerca che investe gran parte dello spettro elettromagnetico per portare ad un risultato robusto. 

Dallo spettro si estraggono infine molte informazioni sull’oggetto. L’analisi della riga di emissione del Mg II permette di determinare la velocità del gas che ruota attorno a un buco nero centrale. Supponendo un sistema in equilibrio, si stima poi la dimensione dell’oggetto centrale, che mette in rotazione il gas alla velocità così ottenuta. In questi casi si arriva a stimare una massa di questi corpi (buchi neri) dell’ordine di 108 masse solari. Inoltre si riesce anche a stimare la velocità con cui si formano le nuove stelle all’interno della galassia. Si tratta di oggetti che hanno una formazione stellare estremamente intensa, maggiore di quella prevista dai modelli. 

Questa è solo una delle evidenze che ci indica che questa ricerca é solo all’inizio; servono molti più dati per migliorare la nostra comprensione e i nostri modelli di questi oggetti e di tutto l’universo giovane.

Vorrei farti ora una domanda un po’ diversa: fra gli autori delle pubblicazioni ci sono, oltre a te, altri giovani ricercatori italiani che provengono tutti dallo stesso istituto seppur ora lavorano in istituti differenti, credi sia una coincidenza?  

Non credo sia una coincidenza, anche se potrebbe benissimo esserlo perché è normale che diversi istituti collaborino a linee di ricerca comuni che facciano progredire la nostra conoscenza.

Nel mio caso specifico, è indubbio che il mio lavoro richieda una notevole preparazione sull’analisi dei dati forniti dal telescopio e su come prendere questi dati durante le notti di osservazioni.

Ricevere una preparazione simile, come l’ho ricevuta io, durante gli studi, è tutt’altro che scontato. 


Sebastiano Spinelli & Chiara Mazzucchelli

Bibliografia:

  • Mazzucchelli, C., et al. “The Discovery of a Highly Accreting, Radio-loud Quasar at z = 6.82”, The Astrophysical Journal”,  80, IS  – 1, VL  – 909.

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