All’origine delle bolle di Fermi

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Nel 2010, le osservazioni nei raggi gamma di Fermi hanno scoperto quelle che attualmente sono note come bolle di Fermi: misteriose e gigantesche strutture (in viola) che emergono sopra e sotto il centro della nostra galassia, coprendo una lunghezza totale di circa 50mila anni luce. Il piano della nostra galassia (in blu) è molto brillante nei raggi gamma, prodotti quando particelle ad alta energia chiamate raggi cosmici interagiscono con gas e polvere. Le bolle fermi emettono raggi gamma di energia superiore rispetto al resto del disco della galassia. Crediti: Nasa

Due ricercatori cinesi hanno presentato un nuovo modello che per la prima volta spiega simultaneamente l’origine delle bolle di Fermi e della struttura biconica a raggi X presente nel centro della nostra galassia, concludendo che sono lo stesso fenomeno, originato da onde d’urto generate da una coppia di getti provenienti da Sagittarius A* circa cinque milioni anni fa. Tutti i dettagli su ApJ.

Dieci anni fa, il telescopio spaziale per raggi gamma Fermi (Fermi Gamma-ray Large Area Space Telescope, Glast) della Nasa scoprì una coppia di giganteschi lobi di radiazione gamma, centrati nel nucleo della nostra galassia, che si estendevano per un totale di 50mila anni luce – 25mila anni luce sopra e 25mila anni luce sotto il disco galattico. Vennero chiamati bolle di Fermi e ancora oggi non si conosce la loro origine.

Recentemente due ricercatori dell’Osservatorio astronomico di Shanghai (Shao) dell’Accademia cinese delle scienze hanno presentato un nuovo modello che per la prima volta spiega simultaneamente l’origine delle bolle di Fermi e della struttura biconica a raggi X presente nel centro galattico, scoperta nel 2003. Secondo questo modello, le due strutture rappresentano lo stesso fenomeno, originato da onde d’urto generate da una coppia di getti provenienti da Sagittarius A* (Sgr A*) – il buco nero supermassiccio che si trova nel centro della nostra galassia – circa cinque milioni anni fa. Lo studio è stato pubblicato su The Astrophysical Journal.

Le bolle di Fermi sono due enormi lobi pieni di gas molto caldo, raggi cosmici e campi magnetici.

Sebbene non possano essere viste a occhio nudo, sono molto luminose nei raggi gamma, dove presentano bordi molto nitidi che coincidono piuttosto bene con una struttura biconica evidente nei raggi X. Notando questa curiosa corrispondenza, i ricercatori hanno ipotizzato che le due strutture potessero condividere la stessa origine. Inoltre, la struttura biconica a raggi X potrebbe essere naturalmente spiegata dal guscio sottile dell’onda d’urto del gas termicamente molto caldo, generata da un’esplosione energetica verificatasi in passato nel centro galattico.

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Osservazioni del centro galattico effettuate a raggi gamma dal telescopio spaziale Fermi, e a raggi X da Rosat, che mostrano chiaramente come le bolle di Fermi coincidono molto bene con la struttura biconica a raggi X del centro galattico, alle basse latitudini. Crediti: Bland-Hawthorn, J. et al.

Nei precedenti modelli teorici e nelle simulazioni al computer delle bolle di Fermi, sono state proposte due sorgenti energetiche concorrenti: la formazione stellare nel centro galattico e Sgr A*.

Tuttavia, in entrambi i modelli, le bolle di Fermi vengono spiegate come bolle espulse, mentre l’onda d’urto si trova sempre molto più lontano dal bordo delle bolle di Fermi. In altre parole, questi modelli non sono stati in grado di spiegare contemporaneamente le bolle di Fermi e la struttura X biconica del centro galattico.

Al contrario, il modello teorico proposto in questo studio da Guo Fulai e da Zhang Ruiyu del Shao, basato su simulazioni al computer, è in grado di dimostrare che le bolle di Fermi e la struttura biconica a raggi X del centro galattico sono in realtà lo stesso fenomeno. In accordo con questo modello, il bordo delle bolle di Fermi è il fronte d’onda della coppia di getti espulsi da Sgr A* circa cinque milioni di anni fa.

«Un aspetto positivo di questo modello è che l’energia e l’età delle bolle di Fermi possono essere limitate abbastanza bene dalle osservazioni ai raggi X», riferisce Guo Fulai. L’età delle bolle inferita in questo studio è anche coerente con quella derivata dalle recenti osservazioni nell’ultravioletto di alcune nubi ad alta velocità, lungo molte linee di vista in direzione delle bolle. Il nuovo modello indica che l’energia totale iniettata dal buco nero supermassiccio, durante la generazione dell’evento che ha dato origine alle bolle, è vicina a quella rilasciata da circa 20mila supernove. La materia totale consumata da Sgr A* durante questo evento è di circa 100 masse solari.

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La mappa della luminosità simulata a raggi X (a 1.5 keV) nel nuovo modello di Zhang & Guo (2020). La linea tratteggiata delimita le bolle di Fermi osservate nei raggi gamma. Crediti: Zhang e Guo

«Un’altra cosa molto interessante che abbiamo trovato nel nostro studio è che, se le bolle e la struttura biconica a raggi X condividono la stessa origine, è molto improbabile che siano state prodotte dalla formazione stellare o dai venti del buco nero», osserva Guo. Vicino al centro della galassia, la struttura biconica a raggi X ha una base molto stretta, mentre un eventuale fronte d’onda prodotto da formazione stellare o da venti del buco nero potrebbe facilmente propagarsi a grandi distanze, portando alla formazione di una base molto più ampia di quella osservata. Al contrario, i getti collimati depositano rapidamente la maggior parte dell’energia su grandi distanze lungo la direzione del getto, portando naturalmente ad avere un fronte d’urto vicino al piano galattico molto stretto.

Il buco nero supermassiccio presente nel centro nella nostra galassia è stato molto tranquillo negli ultimi anni e non esiste alcuna prova di attività che possa avere originato getti ma, secondo Guo, lo studio suggerisce con forza che circa cinque milioni di anni fa una coppia di potenti getti sia stata emessa dal buco nero supermassiccio, per circa un milione di anni, e che tale emissione abbia portato alla formazione delle gigantesche bolle di Fermi, che si vedono ancora oggi.

Maura Sandri

media.inaf.it