Immagine composita dell’ammasso di galassie Abell 2255. I dati in banda X (blu) acquisiti da ROSAT mostrano il gas caldo tra le galassie; i dati radio (arancio e viola) di LOFAR mostrano numerose radio galassie nell’ammasso, i “radio relic” e l’alone di emissione che permea l’intero ammasso. L’immagine ottica di sfondo è presa da SDSS.
Gli ammassi di galassie sono le strutture più massicce dell’Universo. Si sviluppano nelle intersezioni dei filamenti cosmici attraverso una sequenza di fusioni. Durante questi eventi energetici l’energia cinetica viene dissipata nel riscaldamento e nella dinamica del mezzo caldo inter-ammasso e in componenti non termiche, particelle e campi magnetici. Le componenti non termiche generano emissioni radio fino potenzialmente ai raggi gamma. All’IRA questi fenomeni vengono studiati usando i più grandi radiotelescopi esistenti e sviluppando modelli teorici.
Staff: G. Bernardi, A. Botteon, G. Brunetti, R. Cassano, F. de Gasperin, C. Gheller, C. Stuardi, T. Venturi
Collaboratori: A. Benati, A. Bonafede, M. Brienza, L. Bruno, V. Cuciti, D. Dallacasa, E. De Rubeis, L. Feretti, G. Giovannini, M. Gitti, T. Pasini, C. Riseley, K. Srikanth, F. Vazza
Emissione radio diffusa
Una parte degli ammassi di galassie mostra emissioni radio di sincrotrone su larga scala sotto forma di aloni radio giganti, relitti radio e mini-aloni. In alcuni casi la radiazione di sincrotrone viene anche osservata sotto forma di giganteschi ponti che collegano coppie di ammassi massici. Aloni e relitti si trovano in ammassi in fase di fusione e si ritiene che siano alimentati dagli shock e dalla turbolenza generata dalle dinamiche dei cluster. All’IRA si utilizzano osservazioni radio, insieme ai loro follow-up in X e in ottico, per studiare le connessioni delle emissioni radio sulla scala degli ammassi con la dinamica degli stessi e con le proprietà del mezzo inter-ammasso. Si conducono inoltre grandi programmi per affrontare le proprietà delle radiosorgenti sulla scala degli ammassi, così come la loro formazione ed evoluzione attraverso le epoche cosmiche. Tra le altre strutture osservative vengono utilizzati i telescopi LOFAR e MeerKAT, che stanno entrando in territori di osservazione inesplorati. Infine, all’IRA si studiano l’interazione tra il mezzo inter-ammasso e le radiogalassie dell’ammasso, comprese le radiogalassie head-tail e quelle coincidenti con le galassie più brillanti dell’ammasso (BCG).
Accelerazione delle particelle e fisica del plasma
B. Immagine del flusso di energia cinetica turbolenta integrato lungo la linea di vista in una coppia di ammassi interagenti estratta da simulazioni cosmologiche MHD ad alta risoluzione. I contorni si riferiscono alla densità di materia proiettata dal gas
Il mezzo inter-ammasso è un plasma turbolento e poco collisionale su cui le instabilità giocano un ruolo importante. Comprendere la fisica di questo plasma è fondamentale per identificare il modo in cui turbolenza e onde d’urto vengono dissipate, le particelle vengono accelerate e i campi magnetici vengono amplificati. Serve anche a comprendere i meccanismi di trasporto e il mescolamento di particelle e campi nel mezzo inter-ammasso. L’emissione radio diffusa negli ammassi è una sonda fondamentale della fisica generata dai complessi meccanismi che trasferiscono energia dalle scale dei Megaparsec alle piccole scale, coinvolgendo shock e turbolenza. Si fa uso di modelli teorici e simulazioni numeriche avanzate (cosmologiche, magnetoidrodinamiche e cinetiche) per studiare la turbolenza, gli shock e il plasma non termico nel mezzo inter-ammasso e per modellare l’origine e l’evoluzione dell’emissione radio diffusa in ammassi, ponti e filamenti cosmici. I modelli sviluppati producono anche previsioni sull’emissione ad alta energia dagli ammassi fino ai raggi gamma, permettendo di fornire parametri utili per la progettazione di strumenti futuri.
Campi magnetici
C. Immagine dell’emissione in banda X dell’ammasso RXC J1314 con sovrapposti i contorni radio a 1.4 GHz. Nel pannello in basso a sinistra: il relitto a ovest in cui è stata rivelata polarizzazione, con la mappa della misura di rotazione in colore e i contorni radio in nero.
I campi magnetici nel mezzo inter-ammasso sono deboli e quindi dinamicamente irrilevanti (la densità di energia è circa 1/100 di quella termica). Tuttavia sono attori importanti, poiché guidano la conduzione termica e governano l’accelerazione e il trasporto delle particelle. L’origine dei campi magnetici negli ammassi è ancora poco conosciuta. Potrebbero derivare dall’amplificazione di un seme primordiale o essere iniettati negli ammassi da parte di AGN. I campi magnetici vengono studiati al meglio utilizzando osservazioni polarimetriche di sorgenti situate all’interno o dietro l’ammasso. Si utilizzano le tecniche più avanzate, come la sintesi della misura di rotazione di Faraday e osservazioni da strumenti in prima linea per le osservazioni radio per caratterizzare le proprietà dei campi magnetici negli ammassi e nei loro dintorni e comprenderne l’origine. Le osservazioni sono supportate da simulazioni avanzate che ci consentono di modellare l’amplificazione del campo magnetico mediante meccanismi di dinamo e di collegare le proprietà del campo magnetico con i parametri fisici del mezzo inter-ammasso.
Crediti
Figura A: Botteon et al. 2022, Science Advances, 8, eabq7623, “Magnetic fields and relativistic electrons fill entire galaxy cluster”, adattata da Figura 2. DOI: 10.1126/sciadv.abq7623
Figura B: Brunetti & Vazza 2020, Phys. Rev. Lett. 124, id.051101, “Second-order Fermi Reacceleration Mechanisms and Large-Scale Synchrotron Radio Emission in Intracluster Bridges”, Figura 1. DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.051101
Figura C: Stuardi et al. 2019, MNRAS 489, 3905, “Particle re-acceleration and Faraday-complex structures in the RXC J1314.4-2515 galaxy cluster”, adattata da Figura 2 e 10. DOI: 10.1093/mnras/stz2408