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Quasars Prof. Francesco Fabbri 4 a LICEO TECNOLOGICO IISS Mattei – Rosignano S. (LI) Immagine artistica di un quasar della NASA (quasar ULAS_J1120+0641)

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1 Quasars Prof. Francesco Fabbri 4 a LICEO TECNOLOGICO IISS Mattei – Rosignano S. (LI) Immagine artistica di un quasar della NASA (quasar ULAS_J ) Slide N° 43 Lezione N° 1 Scienze della terra

2 INDICE: Definizione di Quasar; Definizione di Quasar; Definizione di Quasar Definizione di Quasar Redshift; Redshift; Redshift Storia delle osservazioni dei Quasar; Storia delle osservazioni dei Quasar; Storia delle osservazioni dei Quasar Storia delle osservazioni dei Quasar Ma sono così lontani?; Ma sono così lontani?; Ma sono così lontani? Ma sono così lontani? Definizione di Buco Bianco; Definizione di Buco Bianco; Definizione di Buco Bianco Definizione di Buco Bianco Modello attuale dei Quasar; Modello attuale dei Quasar; Modello attuale dei Quasar Modello attuale dei Quasar Definizione di Blazar; Definizione di Blazar; Definizione di Blazar Definizione di Blazar Struttura di un Quasar; Struttura di un Quasar; Struttura di un Quasar Struttura di un Quasar Stadi di formazione di un Quasar; Stadi di formazione di un Quasar; Stadi di formazione di un Quasar Stadi di formazione di un Quasar Curiosità; Curiosità; Curiosità Perché è così famoso (3C-273)?; Perché è così famoso (3C-273)?; Perché è così famoso (3C-273)? Perché è così famoso (3C-273)? Altri quasar…. Altri quasar…. Altri quasar… Altri quasar…

3 DEFINIZIONE DI QUASAR

4 QUASAR è la contrazione di QUASi-stellAR radio source, radiosorgente quasi stellare E un oggetto astronomico che somiglia MOLTO ad una stella in un telescopio ottico (cioè è una sorgente puntiforme), che però mostra un grande spostamento verso il rosso (redshift) del suo spettro. redshift Definizione di Quasar Immagine di un quasar molto ingrandita

5 Il consenso generale è che questo grande redshift sia di origine cosmologica, cioè il risultato della legge di Hubble. Questo implica che i quasar siano oggetti molto distanti e che debbano emettere più energia di dozzine di normali galassie. Infatti, i quasar sono considerati tra gli oggetti più luminosi dell'Universo osservabile e una loro caratteristica è di emettere la stessa quantità di radiazione in quasi tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi X e gamma.

6 Alcuni quasar mostrano rapidi cambiamenti della loro luminosità, il che implica che siano molto piccoli (un oggetto non può cambiare luminosità più velocemente del tempo che la luce impiega ad attraversarlo). Se l'interpretazione cosmologica è giusta, l'enorme luminosità e le brusche fiammate di un quasar sono totalmente inimmaginabili per la mente umana: Un quasar medio può incenerire l'intero pianeta Terra da numerosi anni luce di distanza ed emettere tanta energia in un secondo quanta il Sole ne emette in centomila anni. Un quasar medio può incenerire l'intero pianeta Terra da numerosi anni luce di distanza ed emettere tanta energia in un secondo quanta il Sole ne emette in centomila anni.

7 Redshift Lo spostamento verso il rosso (chiamato anche col termine inglese redshift) è il fenomeno per cui la frequenza della luce, quando osservata in certe circostanze, è più bassa della frequenza che aveva quando è stata emessa. Ciò accade in genere quando la sorgente di luce si muove allontanandosi o avvicinandosi all'osservatore. Ciò accade in genere quando la sorgente di luce si muove allontanandosi o avvicinandosi all'osservatore. Più in particolare, si parla di "spostamento verso il rosso" quando, nell'osservare lo spettro della luce emessa da galassie, quasar o supernovae lontane, questo appare spostato verso frequenze minori, se confrontato con lo spettro dei corrispondenti più vicini. Esempio di spostamento verso il rosso dovuto alleffetto doppler Formula effetto doppler:

8 STORIA DELLE OSSERVAZIONI DEI QUASAR

9 I primi quasar vennero scoperti con radiotelescopi alla fine degli anni cinquanta. Il primo spettro di un quasar, che rivelò il suo alto redshift, fu ottenuto da Maarten Schmidt nel ù Una volta identificata la classe di oggetti fu possibile rintracciarli su lastre fotografiche risalenti anche al XIX secolo. Più tardi si scoprì che solo pochi (circa il 10%) dei quasar emettono forti onde radio. Storia Delle Osservazioni Dei Quasar

10 Argomento di aspri dibattiti durante gli anni sessanta fu se i quasar fossero oggetti vicini oppure lontanissimi come indicava il loro redshift. Un forte argomento contro i quasar posti a distanze cosmologiche era che la grande distanza implicava luminosità così alte per le quali nessun processo conosciuto all'epoca, compresa la fusione nucleare, avrebbe fornito l'energia necessaria. Alcuni suggerirono che i quasar fossero composti da antimateria, altri che fossero buchi bianchi. Questa obiezione fu rimossa con la proposta del meccanismo del disco di accrescimento, e oggi la distanza cosmologica dei quasar è accettata da quasi tutti i ricercatori. buchi bianchibuchi bianchi Ma sono così lontani???

11 Un buco bianco è un oggetto teorico che può essere individuato secondo la legge di relatività generale, ma la cui esistenza nell'universo è considerata come puramente speculativa. Definizione di Buco Bianco Un buco bianco è un oggetto teorico che può essere individuato secondo la legge di relatività generale, ma la cui esistenza nell'universo è considerata come puramente speculativa. È descritto tramite soluzioni matematiche in cui delle geodetiche sono derivate da una singolarità gravitazionale o da un orizzonte degli eventi. Albert Einstein fu tra i primi a parlare di buco bianco, come di ipotetica controparte di un buco nero. Poiché le leggi della fisica sono simmetriche rispetto al tempo, si ipotizza che esistano oggetti antitetici ai buchi neri. Mentre un buco nero cattura la materia che entra nel suo campo gravitazionale ma non lascia uscire neppure la luce, esisterebbero oggetti che emettono materia ma nei quali niente può entrare. Tali oggetti altamente speculativi vengono chiamati buchi bianchi.

12 Ad oggi non è stato scoperto alcun campo antigravitazionale che sia in grado di produrre questo effetto, quindi l'esistenza dei buchi bianchi rimane nell'ambito del puramente teorico e speculativo. Un cunicolo spazio-temporale a senso unico potrebbe essere generato da un buco nero collegato a un buco bianco, se quest'ultimo venisse effettivamente scoperto. Questi cunicoli vengono chiamati Wormholes Teoricamente se si attraversasse un wormhole, uscendo da un buco bianco, non sarebbe più possibile rientrare nello stesso. Infatti perlomeno in teoria il buco bianco ha un campo antigravitazionale dove tutto viene respinto.

13 MODELLO ATTUALE MODELLO ATTUALE DEI QUASAR

14 Modello Attuale Dei Quasar Negli anni ottanta, 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 e le radiogalassie (scoperte dallastronomo Riccardo Barthel, nel 1989). Un quasar deviato da una lente gravitazionale. Al centro si può vedere la galassia che si è sovrapposta al quasar stesso.

15 L'enorme luminosità dei quasar è spiegata come il risultato della frizione causata 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. Ma un quasar è classificato per gli astronomi nella categoria dei blazar… Vediamo che cosa sono

16 DEFINIZIONE DI DEFINIZIONE DIBLAZAR

17 Un blazar (dall'inglese: blazing quasi-stellar object) è una sorgente altamente energetica, variabile e molto compatta associata a un buco nero supermassiccio che si trova al centro della galassia ospitante. Sono tra i più violenti fenomeni nell'universo e sono un importante argomento di studio dell'astronomia extragalattica. Definizione Di Blazar I blazar fanno parte di un grande gruppo di galassie attive, dette anche Nuclei Galattici Attivi (sigla AGN). Tuttavia, i blazar non sono un gruppo omogeneo e si possono dividere in due tipi: i quasar altamente variabili, qualche volta chiamati quasar ottici violentemente variabili (OVV), che sono solo una piccola porzione tra tutti i quasar, e gli oggetti del tipo BL Lacertae

18 Il nome blazar è stato coniato nel 1978 dall'astronomo Ed Spiegel per indicare la combinazione di queste due classi di oggetti. La grande quantità di energia che gli AGN producono è dovuta da un buco nero supermassiccio al centro della galassia ospite. Gas, polveri e stelle vengono catturate e la spirale in questo buco nero centrale crea un disco di accrescimento caldo che genera un'enorme quantità di energia, sotto forma di fotoni, elettroni, positroni e altre particelle elementari. Questa regione è abbastanza piccola, approssimativamente 10 3 parsec di larghezza.

19 A seconda dellinclinazione del langolo di vista del blazar è possibile suddividerlo in 4 categorie: Radiogalassia / Galassia di Seyfert Galassia di Seyfert Quasar Blazar Perpendicolarmente al disco di accrescimento, un paio di getti portano via dall'AGN plasma altamente energetico. Il getto è orientato grazie a una combinazione di intensi campi magnetici a potenti venti che arrivano dal disco di accrescimento e gli anelli. Dentro il getto, fotoni ad alta energia e particelle interagiscono tra di loro e con il forte campo magnetico. Questi getti possono estendersi fino a 10 kiloparsec di distanza dal buco nero centrale.

20 Come è possibile vedere i Quasar sono una sottocategoria dei Blazar. Quindi un Quasar è definito tale solo se noi stiamo vedendo un blazar che ha una certa inclinazione di valore Θ

21 STRUTTURA DI UN QUASAR

22 Struttura Di Un Quasar

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24 La materia è talmente collassata su sé stessa sotto la sua stessa forza di gravità che al centro del buco nero la velocità di fuga è superiore a quella della luce ( ,458 Km/s) Ad esempio, la velocità di fuga di una stella a neutroni si aggira intorno ai Km/s In un buco nero neanche la luce può scappare da esso.

25 STADI DI FORMAZIONE DI UN QUASAR DI UN QUASAR

26 Stadi Di Formazione Di Un Quasar Un quasar è uno stadio evolutivo delle galassie in formazione, molto spesso in seguito ad una collisione tra di esse Gruppo di galassie NGC 4038 (Galassie delle Antenne)

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28 Sono pochissimi i Quasar relativamente vicini a noi, i più sono a grande distanza (ossia nel passato). i più sono a grande distanza (ossia nel passato). Il grafico mostra la quantità di quasar in base al loro redshift. Il che significa anche che la maggior parte di essi sono ormai parte della storia delluniverso.

29 Infatti la teoria dellespansione delluniverso è in accordo con il grafico: POCO DOPO IL BIG BANG LUNIVERSO ERA MOLTO PIU PICCOLO e per questo i quasar erano molto frequenti Il che significa anche che le galassie interagenti erano un fenomeno molto più consueto allora!

30 Come si forma un quasar?? In questo modo le due galassie concentrano la maggior parte della loro massa in una regione molto più piccola di quella di origine

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32 CURIOSITA

33 Tornando un po più vicini alla terra (si fa per dire), si può analizzare la radiogalassia Centaurus A distante dalla terra circa 15 milioni a.l. Tornando un po più vicini alla terra (si fa per dire), si può analizzare la radiogalassia Centaurus A distante dalla terra circa 15 milioni di a.l. Centaurus A CostellazioneCentauro Ascensione retta13 h 25.5 m Declinazione43° 01 Distanza 15 milioni a.l. (4,59 milioni pc) Magnitudine apparente (V) 7,0 Dimensione apparente (V) 18' x 14' Caratteristiche fisiche TipoGalassia peculiare ClasseS0 Altre denominazioni NGC 5128; C 77 Curiosità

34 Essendo una radiogalassia possiamo affermare che anche essa è un blazar. Infatti come tale contiene allinterno un buco nero supermassiccio che spara a incredibili velocità un getto perpendicolare al disco di accrescimento Immagine presumibilmente ottenuta con opportuni filtri che rappresenta il centro galattico

35 Ed ora prendiamo in esame un particolare quasar: 3C-273 Immagine del quasar ottenuta con e senza coronografo

36 Il quasar 3C 273, nella Costellazione della Vergine, merita un posto di riguardo nella storia di questi oggetti. Fu proprio studiando le righe di emissione nello spettro della sua controparte ottica che, nel 1963 l'astronomo tedesco Maarten Schmidt, dall'osservatorio di Monte Palomar, riuscì a dimostrare che 3C 273 si stava allontanando ad una velocità di km/s. Perché è così famoso?? Scoperta ScopritoreMaarten Schmidt Anno1959 Dati osservativi CostellazioneVergine Ascensione retta12 h 29 m 06.7 s Declinazione+02° Distanza2,44 miliardi Magnitudine apparente (V)12,9 Redshift ± Caratteristiche fisiche TipoQuasar ClasseSy1 Caratteristiche rilevanti Primo quasar scoperto Altre designazioni PGC 41121

37 Essendo uno dei quasar più vicini a noi e il più luminoso conosciuto (in termini di magnitudine apparente), è quindi anche uno dei più studiati, soprattutto per la complessa struttura del getto di gas espulso ad alta velocità, che si protende nello spazio per anni luce, evidenziato dai satelliti Chandra e Hubble. Situato a circa 3 miliardi di anni luce, risulta più luminoso di 1000 galassie contenenti 100 miliardi di stelle ciascuna; se si trovasse alla distanza di 32 anni luce dalla Terra, illuminerebbe il cielo quanto il Sole (distante dalla Terra solo 8 minuti luce).

38 Mettendo a confronto la visione dei due corpi celesti ai raggi infrarossi possiamo vedere che in realtà sono oggetti molto simili, sebbene siano molto diversi fra di loro. Vediamo la radiogalassia… Come si può vedere con chiarezza cè un getto di espulsione del buco nero sparato in entrambi i sensi perpendicolarmente al suo disco di accrescimento (avente stessa inclinazione del centro della galassia Centaurus A)

39 Il getto di particelle che parte dal buco nero del quasar che si diffonde per circa a.l. è molto simile a quello della precedente. Immagine di 3C-273 ottenuta con Chandra (noto telescopio spaziale dopo Hubble avente anche nome di AXAF, Advanced X- ray Astrophysics Facility) Questa è una ulteriore dimostrazione che le radiogalassie ed i quasar appartengono alla stessa categoria di oggetti quasi stellari (BLAZAR)

40 Altri quasar… ULAS J è un quasar, la cui scoperta è stata segnalata il 29 giugno Con un valore di spostamento verso il rosso di oltre 7, è il quasar più distante conosciuto (28,85 miliardi di a.l. !!!!).

41 Markarian 421 è un blazar collocato nella costellazione dell'Orsa Maggiore. È una galassia attiva, un oggetto BL Lacertae e una grande sorgente di raggi gamma. È una galassia attiva, un oggetto BL Lacertae e una grande sorgente di raggi gamma. Alla distanza di 360 milioni di anni luce è uno dei blazar più vicini alla Terra e questo fa si che esso sia anche uno dei quasar più luminosi. Il suo spostamento verso il rosso è Si pensa abbia un buco nero supermassiccio al centro e ha una galassia compagna (slide 22) che rifornisce di materiale i getti di gas che si originano dall'oggetto. (slide 22)(slide 22) Dati osservativi CostellazioneOrsa Maggiore Ascensione retta11 h 04 m s Declinazione+38° Distanza360 milioni a.l. Magnitudine apparente13,1 Dimensione apparente 0,8 x 0,6 Caratteristiche fisiche TipoBlazar Altre designazioni QSO B , UGC UMa

42 Immagine ad infrarossi del quasar 3C-175. Con questa immagine ci si può rendere conto della incredibile potenza del buco nero al centro di esso.

43 FINE della LEZIONE N. 1 Quasars Voglio sapere ciò che pensa Dio… … il resto sono dettagli Albert Einstein Prof. Francesco Fabbri 4 a LICEO TECNOLOGICO IISS Mattei – Rosignano S. (LI)


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