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La curiosità del mese

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Polvere galattica

La curiosità del mese di dicembre 2019 a cura di Tomaso Belloni


Fig. 1 - Immagine nella banda X dell'intero cielo ottenuta in diversi anni di osservazione con lo strumento MAXI a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (Matsuoka et
al. 2009). L'immagine mostra dozzine di sorgenti X posizionate nel piano della nostra galassia, luogo ideale per lo studio della polvere poiche` la maggior parte di essa risiede proprio lungo il piano. Ma come la polvere interagisce con i raggi X emessi da una sorgente lontana? Crediti https://cxc.harvard.edu/newsletters/news_23/HeinzCorrales.pdf by Sebastian Heinz e Lia Corrales.
Fig. 1 - Immagine nella banda X dell’intero cielo ottenuta in diversi anni di osservazione con lo strumento MAXI a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (Matsuoka et al. 2009). L’immagine mostra dozzine di sorgenti X posizionate nel piano della nostra galassia, luogo ideale per lo studio della polvere poichè la maggior parte di essa risiede proprio lungo il piano. Ma come la polvere interagisce con i raggi X emessi da una sorgente lontana? Crediti immagine: X-ray Dust Tomography: the New Frontier in Galactic Exploration di Sebastian Heinz & Lia Corrales

Lo spazio interstellare nella nostra galassia (e naturalmente anche nelle altre galassie a spirale, quelle ellittiche sono più "pulite") non è vuoto, ma occupato da gas e da polvere interstellare.
Come si può immaginare, la presenza di questa materia è causa di problemi per chi fa osservazioni astronomiche.
Il gas interstellare assorbe la radiazione X e quindi i raggi X da un oggetto lontano, dovendo attraversare molto gas, saranno in parte assorbiti.
La densità del gas è molto bassa, ma la strada da fare è lunga.
Allo stesso modo, la polvere interstellare disturba le osservazioni con i telescopi ottici da terra.
Inoltre questo gas e questa polvere non sono distribuiti in modo uniforme, ma sono presenti nubi di gas in cui la densità di gas e polvere è molto piu alta.
Se la sorgente di radiazione che stiamo osservando è lontana, fra essa e noi ci saranno sicuramente diverse di queste nubi.
Però a volte queste nubi possono essere utili e interessanti da osservare con una sorgente X brillante.

Fig. 2 - Illustrazione di come viene diffusa la luce di una sorgente X (pallino bianco a destra) quando attraversa una regione con della polvere. L'eco di un impulso X che proviene dalla sorgente produce un anello sulla superficie a forma di ellissoide dove la nube, posta tra la sorgente e l'osservatore, interseca l'elissoide. Ogni nube presenta produce diversi anelli. La figura non e` in scala e nella realta' l'elissoide e` molto lungo (migliaia di anni luce in lunghezza e solo pochi anni luce in larghezza). Crediti https://cxc.harvard.edu/newsletters/news_23/HeinzCorrales.pdf by Sebastian Heinz e Lia Corrales.
Fig. 2 - Illustrazione di come viene diffusa la luce di una sorgente X (pallino bianco a destra) quando attraversa una regione con della polvere. L’eco di un impulso X che proviene dalla sorgente produce un anello sulla superficie a forma di ellissoide dove la nube, posta tra la sorgente e l’osservatore, interseca l’elissoide. Ogni nube presente nella regione produce diversi anelli. La figura non è in scala e nella realtà l’elissoide è molto lungo (migliaia di anni luce in lunghezza e solo pochi anni luce in larghezza). Crediti immagine: X-ray Dust Tomography: the New Frontier in Galactic Exploration di Sebastian Heinz & Lia Corrales

Quando i raggi X raggiungono della polvere, stiamo parlando di grani di polvere della dimensione tipica di un decimo di micron (un decimillesimo di millimetro), la radiazione viene diffusa, ovvero la sua direzione viene cambiata.
È lo stesso processo che ci fa vedere un fascio di luce solare in un ambiente polveroso, ad esempio una cantina in cui entra la luce solo da una finestrella.
Quindi i raggi che arriverebbero al nostro telescopio vengono deviati e non verranno rivelati.
Però ci saranno dei raggi che non sono diretti al nostro telescopio, ma per via di questo processo ci arriveranno.
Il risultato è che la nostra sorgente sarà un po’ più debole e ci sarà intorno ad essa un alone di raggi X, molto più debole della sorgente centrale.
Nel caso della diffusione dei raggi X la radiazione che viene diffusa è tutta "in avanti" e l’angolo di deviazione è molto piccolo.

Fig. 3 - Immagine nella banda X della sorgente Circinus X-1 (stella di neutroni) catturata nel 2014 del satellite Chandra. L'immagine mostra 4 anelli centrati sulla stella di neutroni (in blu) e sul resto di supernova (in rosso). Le variazioni in luminosita' e colore in ogni anello hanno permesso di individuare la nube responsabile con una nube di monossido di carbonio. Crediti https://cxc.harvard.edu/newsletters/news_23/HeinzCorrales.pdf by Sebastian Heinz e Lia Corrales.
Fig. 3 - Immagine nella banda X della sorgente Circinus X-1 (stella di neutroni) catturata nel 2014 del satellite Chandra. L’immagine mostra 4 anelli centrati sulla stella di neutroni (in blu) e sul resto di supernova (in rosso). Le variazioni in luminosità e colore in ogni anello hanno permesso di individuare la nube responsabile con una nube di monossido di carbonio. Crediti immagine: X-ray Dust Tomography: the New Frontier in Galactic Exploration di Sebastian Heinz & Lia Corrales

Adesso supponiamo che la sorgente brillante di raggi X, ad esempio una binaria distante contenente un buco nero, non sia sempre accesa, ma sia brillante solo per un breve periodo, per poi rimanere praticamente "spenta" a lungo.
In questo caso i raggi X sono una specie di impulso e quando attraversano una nube produrranno un alone a forma di anello intorno alla sorgente centrale.
Non soltanto abbiamo la possibilità di vedere questo anello, ma se la sorgente di raggi X varia in luminosità, ad esempio diventa più brillante, l’anello diventerà più brillante un po’ più tardi, dato che la radiazione che ci arriva dall’anello non è andata in linea retta, ma ha percorso una linea spezzata e quindi più lunga (a causa della diffusione). Ci mette quindi più tempo ad arrivare al nostro telescopio.
Inoltre con il passare del tempo l’anello si allarga. Se è seguito da un altro impulso di raggi X, si vedrè un altro anello.
Gli anelli ci possono fornire anche altre informazioni, come ad esempio la distanza della sorgente di raggi X.
Se gli anelli non sono uniformi significa che le nubi non sono uniformi, quindi si può ottenere una distribuzione precisa della polvere.
Osservando a diverse lunghezze d’onda si ottengono molte informazioni sia sulla nube che sulla polvere è associata.
Questo è stato fatto per gli anelli intorno alla sorgente Circinus X-1.

Fig. 4 - Nell'immagine gli 8 anelli registrati nel 2015 dalla sorgente V404 Cyg e ottenuti combinando immagini dei due satelliti Chandra e Swift. La distanza della sorgente, conosciuta in modo molto accurato (7200 anni luce), ha permesso la misura delle distanze delle 8 nubi responsabili degli anelli osservati. Crediti https://cxc.harvard.edu/newsletters/news_23/HeinzCorrales.pdf by Sebastian Heinz e Lia Corrales.
Fig. 4 - Nell’immagine gli 8 anelli registrati nel 2015 dalla sorgente V404 Cyg e ottenuti combinando immagini dei due satelliti Chandra e Swift. La distanza della sorgente, conosciuta in modo molto accurato (7200 anni luce). ha permesso la misura delle distanze delle 8 nubi responsabili degli anelli osservati. Crediti immagine: X-ray Dust Tomography: the New Frontier in Galactic Exploration di Sebastian Heinz & Lia Corrales

La disomogeneità degli anelli ha potuto identificare la nube responsabile con una nube di monossido di carbonio e osservando questa si è potuta misurare la distanza della nube e anche quella di Circinus X-1.
Le osservazioni di questi anelli producono immagini spettacolari, ma ci forniscono anche informazioni sulle nubi di polvere.
Dall’immagine degli anelli si può ricostruire una mappa della nube e dal ritardo delle variazioni di intensità si può aggiungere la terza dimensione, ottenendo una misura della nube in 3D.
Con delle misure abbastanza precise si può anche misuare la composizione della nube.
Nel 2015 la sorgente V404 Cyg (buco nero) ha emesso un buon numero di forti e brevi impulsi di raggi X, ideali per questo tipo di analisi.
Si sono misurati ben otto anelli e dato che la distanza della sorgente è conosciuta (7200 anni luce) si è potuto calcolare le distanze delle nubi.
Confrontando con altre osservazioni a altre lunghezze d’onda si è potuto misurare la composizione chimica dei granelli di polvere, che è risultata essere molto semplice: grafite e silicati.
In conclusione, in astronomia non si butta niente. Qualsiasi tipo di informazione sulla materia e la radiazione che ci proviene da oggetti celesti contiene informazioni importanti che possono essere estratte con un’analisi adeguata.



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