A. Immagine radio dell’AGN 3C219 con getti prodotta utilizzando le osservazioni del Very Large Array a 1.4 GHz
Le galassie massicce ospitano, nelle loro regioni nucleari, un buco nero la cui massa è miliardi di volte più grande di quella del Sole. A causa del loro intenso campo gravitazionale, questi buchi neri attraggono tutto il materiale circostante. Durante questo processo viene rilasciata un’enorme quantità di energia osservabile in tutte le bande dello spettro elettromagnetico. Queste galassie sono chiamate ‘nuclei galattici attivi’ (AGN). Le frequenze radio sono particolarmente importanti per studiare la sottoclasse di AGN che sviluppa getti di plasma relativistico. L’IRA ha una consolidata esperienza nello studio della fisica di queste sorgenti, utilizzando radiotelescopi nazionali e internazionali all’avanguardia.
Staff: R. Baldi, M. Bondi, M. Brienza, G. Brunetti, V. Casasola, F. D’Ammando, M. Giroletti, R. Lico, E. Liuzzo, K.H. Mack, N. Marchili, M, Massardi, G. Migliori, M. Orienti, I. Prandoni, C. Stanghellini, T. Venturi, C. Spingola
Collaboratori: D. Dallacasa, G. Giovannini, C. Nanci, P. G. Rupal
Fisica degli AGN con getti
Molti aspetti della fisica dei getti sono ancora in discussione, ad esempio i meccanismi di lancio e di collimazione, l’emissione ad alta energia e l’accelerazione delle particelle. Le osservazioni VLBI ad alta risoluzione angolare sono l’unico mezzo per visualizzare la base del getto con grandissimo dettaglio e determinare struttura e proprietà fisiche del getto stesso. L’Event Horizon Telescope ha già dimostrato nuove capacità di imaging su scale comparabili all’orizzonte degli eventi. L’IRA è coinvolto in osservazioni radio con VLBI spaziale e VLBI millimetrico nonché in osservazioni multi-frequenza fino ai raggi gamma, che suggeriscono l’esistenza di componenti superluminali del getto durante particolari fasi dell’attività del getto stesso e l’esistenza di un gradiente di velocità trasversale del plasma in esso contenuto. Sia le componenti superluminali che il getto stratificato hanno importanti implicazioni sull’origine dell’emissione di raggi gamma da AGN, osservata dal satellite Fermi-LAT e da telescopi Cherenkov come MAGIC e CTA. La detezione contemporanea di raggi gamma e di un neutrino ad alta energia dalla radiosorgente TXS 0506+056 ha fornito la prima prova convincente dei processi adronici nei getti degli AGN, offrendo l’opportunità senza precedenti di combinare più di un messaggero per risolvere enigmi di lunga data nella fisica dei getti. L’IRA è anche coinvolto in studi multi-frequenza delle hot spots nei più potenti AGN con getti. Essendo le regioni di terminazione del getto, le hot spots sono generalmente luminose, altamente polarizzate e compatte. Al loro interno le particelle vengono riaccelerate da urti e turbolenze e possono emettere radiazioni di sincrotrone fino alla banda ottica e persino nei raggi X, come suggerito dalle osservazioni profonde di VLT, HST e Chandra.
Accrescimento e feedback di AGN con getti
Figura B. A sinistra: l’immagine del gruppo NGC 3100 con i contorni dell’emissione HI sovrapposti ad un’immagine in banda r da VEGAS. A destra: in rosso la mappa a 10 GHz della radiogalassia NGC 3100 ottenuta con il telescopio JVLA. I contorni in bianco e blu rappresentano l’emissione della riga CO(2-1) vista da ALMA, che mostrano come l’anello gassoso nucleare sia interrotto dal passaggio del getto
Gli AGN hanno un impatto importante sull’evoluzione delle galassie. Il feedback degli AGN – sotto forma di radiazione, getti e venti – può efficacemente riscaldare e rimuovere il gas dalle regioni nucleari delle galassie, sopprimendo la formazione stellare e regolandone la crescita. Tali meccanismi sono strettamente correlati al processo di accrescimento del buco nero centrale e al suo ciclo di attività. Tuttavia, la relazione tra il gas che alimenta il buco nero e quello che viene espulso da esso non è ancora completamente chiara. Un collegamento essenziale ancora da capire riguarda il modo in cui il gas arriva in prossimità del SMBH. Un’altra questione aperta riguarda l’origine del gas che alimenta i buchi neri. Il merging e le interazioni tra galassie, così come l’accrescimento caotico di gas circumgalattico, sono considerati processi plausibili tramite cui il gas freddo può raggiungere il centro delle galassie. L’importanza relativa di questi processi nelle diverse classi di galassie o ambienti rimane però poco chiara. L’IRA è coinvolto in studi di campioni di AGN nell’Universo vicino selezionati sia nella banda radio che ottica, con l’obiettivo di comprendere meglio il loro ciclo di alimentazione/feedback usando osservazioni ad alta risoluzione del gas in vari stati (ionizzato/molecolare) nonché delle stelle e polvere nelle galassie ospiti. Un ruolo importante in questi studi è svolto da ALMA, che ci consente di sondare direttamente la dinamica del gas molecolare fino a scale di 10-100 pc, cercando tracce di processi di inflow/outflow, nonché profonde osservazioni in HI ottenute dai precursori SKA, che ci consentono di tracciare l’accrescimento del gas freddo su scale circum-galattiche.
Evoluzione di AGN con getti
Durante la loro attività gli AGN con getti attraversano varie fasi evolutive. All’inizio sono intrinsecamente compatti, con dimensioni lineari che vanno da pochi pc a pochi kpc. In questa fase i getti si espandono nel mezzo interstellare della galassia ospite, che a volte contribuisce a rallentare o sopprimere completamente il loro sviluppo. Alcuni di questi getti riescono a espandersi oltre i confini della galassia ospite fino al mezzo intergalattico, raggiungendo dimensioni tipiche di alcune centinaia di kpc e in rari casi fino a qualche Mpc. Dopo un periodo che va da poche decine a qualche centinaio di milioni di anni, l’attività nucleare cessa e l’alimentazione dei getti si interrompe. Durante questa fase i lobi radio creati dai getti si espandono nel mezzo intergalattico, irradiando la loro energia e diventando rapidamente invisibili ai radiotelescopi. È interessante notare che i getti possono attivarsi più volte durante la vita della galassia ospite, e in questo caso il ciclo si ripete. L’IRA ha una lunga esperienza nello studio delle varie fasi evolutive degli AGN con getti, cosa fondamentale per quantificare l’impatto energetico che i getti stessi hanno sulla galassia che li ospita. Ad esempio, utilizzando le osservazioni radio ad alta risoluzione con i telescopi EVN, JVLA e VLBA vengono studiate le proprietà fisiche dei getti giovani in AGN, nonché il ruolo che il mezzo interstellare ha sulla loro evoluzione. Combinando osservazioni a frequenze dell’ordine del MHz o del GHz ottenute con strumenti come MeerKAT, GMRT, LOFAR e JVLA, un notevole impegno viene inoltre dedicato alla caratterizzazione delle proprietà spettrali e morfologiche di getti di grandi dimensioni, con l’obiettivo di indagare la durata della loro attività e la loro interazione con il mezzo intergalattico.
Crediti
Figura A: NRAO/AUI
Figura B: NGC 3100 Maccagni et al. 2023, A&A, 675A, 59. “The AGN fuelling/feedback cycle in nearby radio galaxies. V. The cold atomic gas of NGC 3100 and its group”, Figura 1. DOI: 10.1051/0004-6361/202346521