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Astronomia

Quasar e... dintorni

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La naturale premessa all'osservazione dei quasar è la pubblicazione nel 1960 del terzo catalogo di radiosorgenti di Cambridge. Si tratta di una ricerca delle principali sorgenti radio astronomiche alla frequenza 159 Mhz effettuata con l'interferometro di Cambridge e che sostituì il precedente catalogo 2C. Il catalogo 3C venne in seguito rivisto da Bennet che lo completò con osservazioni alla frequenza di 178 Mhz.
L'inizio della lunga storia dei quasar ebbe inizio nel 1960 quando A. Sandage, utilizzando le indicazioni del catalogo 3C , fotografa gli oggetti ottici che in apparenza corrispondono alle radiosorgenti 3C48, 3C286 e 3C196. In seguito T. A. Matthews, identificò le tre radiosorgenti con tre stelle blue e deboli. In particolare della controparte di 3C48, A. Sandage ottenne pure uno spettro che non sembrava avere corrispondenti con altri osservati da Terra ma del quale non riuscì a fornire alcuna spiegazione.
Si dovette attendere il 1962 quando Hazard, Mackey e Shimmins a Parkes utilizzarono un'occultazione della Luna della radiosorgente 3C273 per poter aumentare il potere risolutivo del radiotelescopio ed in questo modo risolvere la sorgente in due componenti 3C273 A e B. 

A questo punto si compì la svolta decisiva che fu merito di M. Schmidt che ottenne uno spettro di 3C273 B ed identificò le righe che lo componevano proponendone una interpretazione decisamente rivoluzionaria. Lo spettro secondo M. Schmidt dimostrava che si trattava di una galassia blu, molto compatta, con un continuo privo di strutture e forti righe in emissione. Le righe di emissione erano analoghe a quelle di radio-galassie già note, e quindi identificabili, purché si assumesse uno spostamento verso il rosso pari ad uno z=0,158 (ricordiamo che z è il rapporto percentuale tra la differenza tra la lunghezza di onda della riga osservata e quella della stessa riga "a riposo"). La mancata identificazione precedente era dovuta al fatto che nella banda del visibile erano spostate righe che normalmente si trovavano nell'ultravioletto e che quindi non si osservavano nelle galassie a piccolo z.

Ma quale tipo di interpretazione fisica poteva essere data a questo inconsueto e significativo spostamento verso il rosso ? Due erano, e sono, le possibilità: la prima (e ne parliamo nella sezione del 1960) è legata allo spostamento della lunghezza di onda dei fotoni in seguito al passaggio in un forte campo gravitazionale la seconda ad un effetto Doppler di tipo cosmologico. Sono due interpretazioni entrambe possibili ma di significato fisico completamente diverso. Nel primo caso 3C273 risulterebbe un corpo celeste immerso in un intenso campo gravitazionale ma non in moto di allontanamento rispetto a noi. Nel secondo caso al contrario avrebbe proprio un elevato modo di allontanamento interpretabile come un'espansione cosmologica analoga anzi superiore a quella delle galassie lontane soggette alla legge di Hubble.
Data la sua apparenza, nel visibile, come un oggetto di tipo "stellare" 3C273 venne chiamato "quasi stellar object" cioè "quasar" e la ulteriore domanda che immediatamente ci si pose fu: si tratta di un unico oggetto od è il prototipo di un nuova "classe" di corpi celesti?

La risposta a questa domanda venne da J.C. Greenstein e T.A. Matthews che risolsero il mistero di 3C48 individuando che anche lui era un quasar con red-shift ancora maggiore pari a 0,367. Le scoperte ormai procedono senza ostacoli e nel 1964 si trovano altri otto quasar di cui uno, 3C147, con un red-shift di 0,545 ancora maggiore di 3C48.
Rimangono pochi dubbi che ci si trovi di fronte ad una nuova classe di oggetti ! Inoltre si afferma con sempre più vigore l'interpretazione in senso cosmologico del red-shift delle controparti ottiche di queste radio sorgenti. La natura cosmologica si giustifica ancor di più osservando che, sistematicamente, per i quasar si osservano spostamenti verso il rosso (allontanamento) e mai verso il blu (avvicinamento).
Un ulteriore impulso alla comprensione di 3C 273 venne dato dalle osservazioni effettuate alcuni anni più tardi, nel 1965, da W.A. Dent sulla variabilità radio della sorgente. L'importanza degli studi di variabilità è collegata al fatto che gli intervalli di tempo osservati pongono dei limiti alle dimensioni della radiosorgente. Si poté quindi stabilire, anche se le misure radio astronomiche non avevano a quei tempi abbastanza risoluzione spaziale, che le dimensioni di 3C 273 dovevano essere ridotte. Ne risultava un corpo celeste lontano ma compatto e quindi, necessariamente, straordinariamente energetico.

Nel 1965 A. Sandage rimediò alla mancata interpretazione dello spettro dei primi quasar osservati identificando una nuova classe di oggetti simili ai quasar ma senza emissione radio. Si scoprirà in seguito che questi sono molto più numerosi dei quasar con controparte radio. Un importante contributo alla ricerca dei quasar radio-quieti venne dato dall'astronomia bolognese ed in particolare dal prof. A. Braccesi che mise in evidenza come fosse possibile distinguerli dalle stelle nel diagramma a due colori U-B, B-V  dove U,B,V sono rispettivamente le magnitudini ultravioletta, blu e visuale. Con questa tecnica il numero dei quasar crebbe notevolmente confermando che si trattava di una vera e propria famiglia di nuovi oggetti extragalattici.

Oggi sono noti più di 100.000 quasar con red-shift variabili tra 0,06 e 6,4. Vengono interpretati come galassie attive poste a grandissime distanze e quindi, in riferimento al modello cosmologico del Big-Bang, come galassie primordiali. Le enormi energie in gioco per produrre la emissione in tutte le bande dello spettro elettromagnetico dai raggi X al radio, richiedono meccanismi di emissione spiegabili con l'accrescimento di materia su buchi neri al centro di queste galassie primordiali. In alcuni caso con l'utilizzo dei più moderni telescopi ottici e del Telescopio Spaziale HST si possono osservare getti di materia espulsi dal nucleo del quasar e persino individuare dettagli della loro struttura galattica estesa.