Immagine radio dell’AGN 3C219 con getti prodotta utilizzando le osservazioni del Very Large Array a 1.4 GHz. Crediti: NRAO/AUI.
Le galassie massicce ospitano, nelle loro regioni centrali, 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 e durante questo processo un’enorme quantità di energia viene rilasciata in l’intero 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 sia nazionali che internazionali all’avanguardia.
IRA research staff: R. Baldi, M. Bondi, D. Dallacasa, F. D’Ammando, G. Giovannini, M. Giroletti, E. Liuzzo, K.H. Mack, M, Massardi, G. Migliori, M. Orienti, I. Prandoni, C. Stanghellini, T. Venturi
Collaborators: M. Brienza, Q. D’Amato, E. Kravchenko, G. Principe, C. Spingola
Fisica dei getti di AGN
Molti aspetti della fisica dei getti di AGN sono ancora in discussione, come il meccanismo alla base della loro formazione, la collimazione, l’emissione ad alta energia e l’accelerazione delle particelle. Le osservazioni ad alta risoluzione angolare, ottenute con la tecnica VLBI, sono l’unico mezzo per visualizzare la base del getto e determinare la struttura del getto e le sue proprietà fisiche. L’Event Horizon Telescope (EHT) ha già dimostrato nuove capacità di imaging su scale dell’orizzonte. L’IRA è coinvolto in Space-VLBI (mm-) VLBI e osservazioni multi-lunghezza d’onda, fino ai raggi gamma, che suggeriscono fortemente l’emergere di componenti del getto superluminale durante particolari fasi dell’attività del getto e l’esistenza di un gradiente di velocità trasversale del plasma nel getto. Sia le componenti superluminali che il getto stratificato hanno importanti implicazioni sull’origine dell’emissione di raggi gamma da AGN, che viene osservata dai telescopi Fermi-LAT e Cherenkov – come MAGIC e CTA. Il rilevamento di neutrini ad alta energia dalla sorgente radio TXS 0506 + 056 ha fornito la prima prova convincente dei processi adronici nei getti AGN, offrendo l’opportunità senza precedenti di combinare più di un messaggero per risolvere enigmi di lunga data nella fisica dei jet. L’IRA è anche coinvolta in studi multifrequenza degli “hotspot” in potenti AGN a getto. Queste sono le regioni di terminazione del getto e sono generalmente luminose, altamente polarizzate e compatte. Qui le particelle vengono riaccelerate da urti e turbolenze e possono emettere radiazioni di sincrotrone fino alla banda ottica e persino a quella dei raggi X, come suggerito dalle osservazioni profonde di VLT, HST e Chandra.
Accrescimento e feedback di AGN con getti
Sinistra: la galassia NGC 1433 vista dai telescopi ALMA e Hubble, che rivela sia il gas che si alimenta nel buco nero sia un getto di materiale fuoriesce (Combes et al.2013, A&A, 558, A124). Destra: mappa radio a 10 GHz fatta con il JVLA della galassia NGC 3100 con sovrapposti contorni di intensità della riga CO (2-1), che mostrano un’interruzione dell’anello gassoso nucleare da parte del getto in espansione (Ruffa et al.2020 MNRAS).
Si afferma che i processi di feedback degli AGN abbiano un impatto importante sull’evoluzione delle galassie. Il feedback degli AGN – sotto forma di radiazioni, getti e venti spinti dalla pressione – può effettivamente riscaldare e rimuovere il gas dalle regioni nucleari delle galassie, sopprimendo la formazione stellare e regolando la loro crescita. Tali meccanismi sono necessariamente strettamente correlati al processo di alimentazione dell’SMBH centrale e al suo ciclo di lavoro. Tuttavia, il modo in cui i circuiti di alimentazione / feedback possono essere stabiliti e sostenuti su molti ordini di grandezza in scala non è ancora compreso. Un collegamento essenziale ancora da valutare è il modo in cui il gas arriva dalle scale Kpc in prossimità dell’SMBH. Un’altra questione aperta riguarda l’origine del gas che alimenta gli SMBH. Le fusioni e le interazioni galattiche, così come l’accrescimento caotico, sono tutti considerati modi praticabili per portare il gas freddo al centro delle galassie. Meno chiara, tuttavia, è l’importanza relativa dei suddetti processi in diverse classi di galassie o ambienti. IRA è coinvolta in studi dettagliati di campioni locali di AGN selezionati sia radio sia otticamente, con l’obiettivo di comprendere meglio il ciclo di alimentazione / feedback degli AGN, attraverso osservazioni spazialmente risolte delle varie fasi gassose (ionizzate e molecolari) e del componenti stellari e di polvere nelle galassie ospiti. Un ruolo importante in questi studi è svolto da ALMA: le sue capacità senza precedenti ci consentono di sondare direttamente le dinamiche del gas molecolare fino a scale 10-100 pc, alla ricerca di firme dei movimenti di afflusso / deflusso.
Evolution of jetted AGN
The evolution of AGN jets takes place through several phases. At the beginning they are intrinsically compact, with linear sizes ranging between a few pc to a few kpc. At this stage the jets pierce their way through the interstellar medium of the host galaxy, which may slow down or even frustrate their expansion. Some of these jets manage to grow beyond the stellar body of the host galaxy and expand into the intergalactic medium, reaching typical sizes of a few hundred Kpc and up to a few Mpc. After a period that lasts between a few tens and some hundreds of Myr, the nuclear activity ceases and the jet supply stops. During this “remnant” phase, the radio lobes inflated by the jets expand into the intergalactic medium, radiating away their energy and becoming quickly invisible to us. Interestingly, jets can be triggered multiple times during the host galaxy’s lifetime, so that this cycle of evolution is repeated. IRA has a longstanding experience in the study of various evolutionary phases of the jetted AGN, which are key to quantify the energetic impact that the AGN jets have on their host galaxy. For example, by using (sub-)arcsecond radio observations with VLA and VLBA telescopes, the physical properties of young jets in AGN are investigated, as well as the role that the interstellar medium has on their evolution. A considerable effort is also put in the characterisation of the spectral and morphological properties of large-scale jets by combining MHz and GHz frequency instruments like GMRT, LOFAR and VLA, with the aim of investigating the timescales of their activity and their interaction with the intergalactic medium.