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Radiogalassie: viaggio nel tempo con MeerKAT e uGMRT

In questa elaborazione grafica della radiogalassia CGCG044-046 sono stati evidenziati i dati radio raccolti dai ricercatori con le antenne MeerKat a 1.28 GHz (in bianco). Sullo sfondo i dati ottici della Digital Sky Survey 2 nelle bande a infrarosso, rosso e blu. Crediti: T. Venturi/O. Smirnov/MNRAS 2021

Essere uno scienziato non vuol dire soltanto andare a caccia della scoperta più sensazionale. A volte, vuol dire anche revisionare studi del passato per cercare di ottenere risultati migliori, rivelare dettagli inediti o confermare teorie grazie all’utilizzo di strumenti moderni e all’avanguardia. È stato questo l’obiettivo di un gruppo di radioastronomi, tra cui alcuni dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf), che ha deciso di  rivisitare un set di radiogalassie scoperte e classificate quasi 50 anni fa dal celebre duo Bernie Fanaroff-Julia Riley, viaggiando nel tempo con due tra i radiotelescopi attualmente più potenti e sensibili al mondo: l’Upgraded Giant Metrewave Radio Telescope (uGmrt) del National Centre for Radio Astrophysics (Ncra) in India e il MeerKat del South African Radio Astronomy Observatory (Sarao) in Sudafrica. Era infatti il 1974 quando l’astronomo sudafricano e l’astrofisica inglese rivoluzionarono la radioastronomia dell’epoca (ma anche quella moderna) con un articolo in cui classificarono le radiogalassie in due tipi in base alla loro morfologia (forma), la famosa classificazione Fanaroff-Riley di tipo I e II (FrI e FrII).

«Da 50 anni a questa parte il potenziale osservativo nella banda radio è migliorato di svariati ordini di grandezza. Con i radiotelescopi attuali è possibile rivelare sia dettagli che nelle immagini dei primi interferometri erano indistinguibili, sia regioni di emissione debole, che sfuggiva alla loro “sensibilità”. Per questo motivo, la nostra comprensione di molti fenomeni astrofisici è in grande evoluzione in questo momento. Nello specifico, gli oggetti scelti per il nostro lavoro sono le radiogalassie», spiega in un’intervista a Media Inaf Tiziana Venturi, seconda autrice dello studio pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society nonché direttrice dell’Istituto di Radioastronomia dell’Inaf a Bologna e responsabile italiana del progetto Radio Sky 2020. «Questo lavoro ha anche un sapore storico. Il primo autore è Bernie Fanaroff, il quale, insieme alla collega Riley, ha dato inizio allo studio del fenomeno “radiogalassia”. Rivisitare quella classificazione alla luce dei moderni interferometri radio può riservare molte sorprese».

Cosa sono le radiogalassie?

«Le radiogalassie sono sorgenti di emissione radio che si originano nelle regioni centrali delle galassie ellittiche massicce come conseguenza dell’accrescimento del buco nero che si trova al centro delle stesse. Sono oggetti spettacolari, le cui dimensioni spesso eccedono di svariati ordini di grandezza quelle delle galassie da cui si originano, espandendosi nel mezzo intergalattico, ovvero il gas che permea le regioni tra galassie. Poter osservare le radiogalassie con gli strumenti attuali significa raccogliere informazioni estremamente dettagliate sugli elettroni e campi magnetici che producono l’emissione radio dalle regioni prossime al buco nero da cui si origina tutto, fino alle regioni esterne più estreme, coprendo una gamma di fenomeni che vanno dall’astrofisica relativistica, alle interazioni tra il plasma radioemittente e l’ambiente circostante, che nel caso delle radiogalassie cambia tantissimo».

Tra le radiogalassie riscoperte e osservate in questo studio, qual è la più interessante e quali i dettagli inediti che avete portato alla luce?

«In realtà ciascun oggetto del nostro studio si è rivelato interessante, e tutti hanno mostrato qualche caratteristica inaspettata. Dei quattro presentati nel lavoro, la radiogalassia associata alla galassia ellittica CGCG044-046 è forse la più spettacolare. L’oggetto si trova al centro di un gruppo di galassie, e la sua emissione radio risente di questo ambiente un po’ speciale, in cui i moti delle galassie e la presenza di gas caldo forgiano la forma della radiogalassia stessa. Le nostre osservazioni hanno rivelato in grande dettaglio tutte le regioni di emissione, evidenziando filamenti e zone di compressione del plasma radioemittente particolarmente rilevanti. Inoltre hanno permesso di capire com’è orientata l’emissione radio nel piano del cielo, e di fare ipotesi circa il mezzo intergalattico che la circonda».

Per il vostro viaggio nel tempo, avete sfruttato l’enorme sensibilità di interferometri come uGmrt e MeerKat. Cosa hanno di speciale questi array rispetto ad altri? 

«UGmrt e MeerKat sono utilizzati, rispettivamente, come pathfinder e precursore del progetto Ska, il radiotelescopio che è destinato a rivoluzionare la nostra conoscenza dell’Universo. uGmrt è costituito da 30 antenne di 45 metri di diametro ciascuna, lavora a frequenze che vanno da circa 100 MHz a circa 1.5 GHz, mentre MeerKat, costituito da 64 antenne di 13.5 metri ciascuna, è già di fatto una porzione del progetto Ska e lavora a frequenze che vanno da circa 900 MHz a circa 3.5 GHz. Entrambi gli strumenti, grazie alla configurazione della distribuzione delle antenne, unita all’elevatissima tecnologia di tutta la catena osservativa e di registrazione del segnale, permettono di rilevare simultaneamente l’emissione radio su molteplici scale angolari, alle migliori sensibilità disponibili al momento. Per confronto il Very Large Array, le cui prestazioni sono eccezionali, deve osservare la stessa zona di cielo in tre diverse configurazioni per poter raggiungere la ricchezza di dettagli che MeerKat riesce a rivelare con una sola osservazione. Il vantaggio in termini di tempo osservativi e di analisi dei dati si commenta da solo».

In cosa questi strumenti differiscono da quelli utilizzati quasi 50 anni fa?

«Rispetto a 50 anni fa, le differenze sono ancora più eclatanti, a partire dall’ampio intervallo di frequenze osservative disponibili, che permettono analisi spettrali impensabili quando è nato lo studio delle radiogalassie, per arrivare al numero di antenne in ciascun array e al grande progresso tecnologico nell’ambito dei ricevitori, con i relativi vantaggi sia sulla qualità delle immagini radio sia sulla ricchezza di dettaglio».

Inaf è un top player nella radioastronomia a livello mondiale: qual è il ruolo dei ricercatori italiani in questa survey?

«Questa collaborazione è nata grazie a Radio Sky 2020, un progetto di cooperazione bilaterale scientifica e tecnologica tra Italia e Sudafrica finanziato dal Ministero degli affari esteri e della cooperazione internazionale e dalla National Research Foundation, avendo tra i traini principali lo sfruttamento del potenziale scientifico di MeerKat. Lo studio dell’origine ed evoluzione delle radiogalassie è una delle ricerche di punta dell’Inaf già dagli anni ’70, grazie alle importanti survey del cielo dell’emisfero Nord condotte con il Radiotelescopio Croce del Nord, che si trova presso la Stazione Radioastronomica di Medicina. Grazie al progetto bilaterale si sono create le condizioni per mettere in campo le nostre competenze scientifiche, che sono state fondamentali in tutte le fasi del progetto, dalla preparazione delle prime richieste di tempo osservativo, fino all’interpretazione dei risultati e alla stesura dell’articolo, dove il contributo dell’Inaf è stato fondamentale. L’articolo rappresenta il primo tassello di questa nuova survey. Altre osservazioni con MeerKat sono in programma a breve».Inaf è un top player nella radioastronomia a livello mondiale: qual è il ruolo dei ricercatori italiani in questa survey?

Con l’avvento di radiotelescopi come quelli del progetto Ska, come cambierà lo studio delle radiogalassie?

«È una domanda a cui non è facile dare una risposta univoca. L’esperienza recente dimostra che i risultati più interessanti dei nuovi osservatori non erano stati previsti. Le antenne del progetto Ska avranno una sensibilità decisamente maggiore rispetto ai migliori interferometri attualmente in funzione, e una capacità elevata di vedere dettagli su tante scale angolari. Questo permetterà di osservare la popolazione delle radiogalassie fino a distanze ancora inaccessibili, studiando la loro evoluzione cosmologica e altri importanti aspetti dell’evoluzione delle galassie e delle radiogalassie, per ora solo ipotizzabili».

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