Foto: Reuters/NASA/Handout

La protagonista è la galassia attiva IC 310, lontana circa 260 milioni di anni luce dalla Terra. Una galassia dell’ammasso galattico Perseo, con un buco nero supermassiccio equivalente a oltre 300 milioni di masse solari nella sua parte centrale. Ciò che è stato osservato è una straordinaria esplosione di raggi gamma che proviene dal nucleo. Una emissione di luce ad altissima energia, con rapide variazioni di flusso come non si erano mai viste. Sono state proprio queste che hanno permesso di affermare, per la prima volta, che l’intensa radiazione viene rilasciata in una regione molta vicina al buco nero. 

Il risultato, pubblicato nella rivista Science Express, è il lavoro di un gruppo di ricerca internazionale nell’ambito del progetto Magic (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov telescope), cui hanno partecipato per l’Italia l’Istituto nazionale di Fisica nucleare (Infn) e l’Istituto nazionale di Astrofisica (Inaf).

La galassia IC 310 è una vecchia conoscenza degli astronomi, già nota per emettere radiazione di alta energia. Già nel 2009, attraverso il satellite per astronomia nei raggi gamma Fermi e i due telescopi Magic, si individua un’intensa emissione di raggi gamma provenire da questo oggetto celeste. Sulla base di queste osservazioni, IC 310 viene considerata una sorgente di grande interesse e studiata attentamente in tutte le lunghezze d'onda. Nella notte del 12 novembre 2012, nel corso di una successiva campagna di osservazione con i telescopi Magic, si osserva una nuova potente emissione di raggi gamma da IC 310, ben più intensa delle precedenti. E sorprendentemente, durante l’evento, si registra una marcata variazione nel flusso di radiazione proveniente dalla sorgente, avvenuta nell’arco di soli cinque minuti. 

Le osservazioni ad alta risoluzione condotte con i radiotelescopi europei della rete Vlbi (Very Long Baseline Interferometry) (VBN) hanno permesso di caratterizzare meglio il cuore di questa galassia rivelando che quello di IC 310 è un tipo particolare di nucleo galattico attivo che gli astronomi chiamano blazar. Per semplificare si immagini un disco (la galassia attiva) con due getti di plasma simili ai fasci di luce di un faro (gas ionizzato costituito da ioni ed elettroni) che hanno origine dal centro (il buco nero) e si estendono lungo l’asse di rotazione. Nel caso di IC 310 il getto forma con la linea che congiunge la Terra con la sorgente un angolo inferiore a 20 gradi. Nei nuclei attivi e in particolare nei blazar, la presenza del getto di plasma generalmente aiuta a spiegare sia la maggiore intensità della radiazione osservata che la sua rapida variabilità. 

Questo tuttavia non vale nel caso della galassia attiva IC 310. Per produrre un’emissione così intensa come quella osservata sarebbe necessaria infatti un’area molto più grande di quella occupata dal buco nero supermassiccio al centro di IC 310, che ha un diametro pari a circa tre volte la distanza tra il Sole e la Terra. Inoltre la luce, per attraversare una regione di tali dimensioni, impiegherebbe circa 25 minuti: questo è incompatibile con la durata delle variazioni di flusso osservate che invece sono di soli 5 minuti. 

Gli scienziati propongono dunque una spiegazione diversa e sostengono che l’intensa emissione di raggi gamma osservata debba necessariamente iniziare nelle immediate vicinanze del buco nero. E ritengono che questo debba ruotare alla sua massima velocità possibile e che debba essere presente un campo magnetico che lo circonda.  

Si provi ad immaginare il buco nero come una mela, e la sua buccia (la superficie) è “l’orizzonte degli eventi” che divide il dentro dal fuori in due regioni non connesse. La materia attratta dal fortissimo campo gravitazionale accresce sotto forma di plasma orbitando via via più vicina alla buccia scaldandosi.

Se la densità del plasma che accresce sul buco nero diminuisce nelle regioni polari, le due estremità del torsolo della mela per continuare con la metafora, si possono creare proprio in queste zone degli intensi campi elettrici (non “cortocircuitati” dal plasma) in grado di accelerare le particelle a velocità prossime a quelle della luce. Una situazione analoga, anche se molto più estrema, a quella in cui si verificano le scariche elettriche dei fulmini durante le tempeste. Le particelle così accelerate, interagendo con i fotoni a bassa energia emessi dal disco di accrescimento, producono i raggi gamma captati da Magic. 

Queste osservazioni Magic di IC 310 rappresentano la prima osservazione diretta della regione in cui avviene la formazione dei getti nei nuclei galattici attivi, contribuendo a risolvere quello che, a tutt’oggi, è uno dei grandi enigmi dell’astrofisica moderna. 

“I raggi gamma di alta energia sono molto importanti - dice Mosè Mariotti, responsabile del’Infn a Padova nell’ambito della collaborazione Magic - perché permettono di esplorare le zone più interne dei nuclei galattici attivi. Con queste osservazioni si può arrivare in prossimità del buco nero centrale dove si verificano le condizioni fisiche più estreme.” E aggiunge Michele Doro, del dipartimento di Fisica e astronomia “G. Galilei”, responsabile delle osservazioni del telescopio e coordinatore del gruppo di ricerca di fisica fondamentale per Magic: “Da quando è entrato in funzione, ormai dieci anni fa, Magic ha potuto ottenere questo risultato, e altri risultati altrettanto importanti, grazie alle sue ottime prestazioni. Questo grazie all’utilizzo di tecnologie di punta, che sono tenute costantemente aggiornate dal lavoro dei ricercatori e dei tecnici degli Istituti di ricerca coinvolti nell’esperimento”.