Un team di ricercatori guidato da Francesca Loi dell’Osservatorio astronomico dell’Inaf Cagliari ha osservato col Sardinia Radio Telescope i deboli campi magnetici dell’ammasso di galassie Ciza J2242+5301. I risultati sono stati pubblicati su Mnras

L’origine e l’evoluzione del magnetismo cosmico sono alcuni dei misteri più affascinanti che la prossima generazione di radiotelescopi si è prefissata di svelare. Uno studio condotto da Francesca Loi dell’Inaf Cagliari, recentemente pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ha osservato con il Sardinia Radio Telescope l’ammasso di galassie Ciza J2242+5301. Ciza è l’acronimo di Cluster in the Zone of the Avoidance, una survey che nei raggi X ha scoperto diversi ammassi di galassie in una zona “proibita”, a basse latitudini galattiche, dove le polveri del disco della nostra Galassia assorbono la luce di tali oggetti, rendendo difficoltosa la loro rivelazione con i telescopi ottici. L’ammasso in questione è stato appunto scoperto durante questa survey, diventando subito oggetto di studio di diversi gruppi di ricerca. Il motivo è da ricercarsi nelle sorgenti radio, estremamente rare ma decisive per lo studio dei campi magnetici su larga scala, ospitate al suo interno: un alone radio centrale incastonato tra due relitti, uno disposto a nord l’altro a sud.

Gli aloni sono sorgenti radio diffuse che costituiscono la prova diretta dell’esistenza di un campo magnetico e di particelle relativistiche (cioè con velocità prossime a quelle della luce) nell’ammasso su scale del megaparsec. Queste sorgenti possono essere molto grandi, più o meno circolari e ricoprire l’intero volume dell’ammasso.

I relitti radio si trovano invece nella periferia dell’ammasso, il più delle volte assumono una forma ad arco, ma restano simili in natura agli aloni. Studiando queste sorgenti radio diffuse si possono capire le caratteristiche del campo magnetico e delle particelle relativistiche che le originano e dunque la loro evoluzione negli ammassi.

Se da una parte alcune teorie suggeriscono che i campi magnetici si originino in piccole zone di spazio per poi essere amplificati sino alle strutture più grandi, altre sostengono invece che un campo “seme” possa essere presente nella rete cosmica dell’universo, il cosiddetto cosmic web, e che poi questo abbia dato vita ai campi magnetici nelle galassie, nelle stelle e nei pianeti.

Come possiamo capire come siano andate veramente le cose? La soluzione ce l’abbiamo a portata di mano, ma è ancora in fase di costruzione: si chiama Square Kilometre Array (Ska) ed è una rete di telescopi per la quale sono previsti importanti progetti di ricerca. Uno di questi sarà proprio il magnetismo cosmico, che vede nell’osservazione degli ammassi di galassie una delle strade più promettenti per questo ambito di studi.

Sebbene i campi magnetici degli ammassi siano molto deboli, in attesa di Ska le osservazioni vengono ora condotte con altri strumenti non meno performanti. Parliamo ovviamente del Sardinia Radio Telescope (Srt), la grande parabola italiana da 64 metri di diametro, dotata di tre ricevitori in grado di osservare in tre diverse bande dello spettro radio. L’ultimo lavoro pubblicato dalla rivista scientifica Mnras (Loi et al. 2017) e che coinvolge l’antenna sarda è uno studio, appunto, dell’ammasso di galassie Ciza J2242+5301. Studio che si è avvalso di tutti e tre i ricevitori di Srt.

Ciza è un ammasso molto studiato negli ultimi anni, proprio perché è il risultato della collisione di due ammassi di galassie, avvenuta circa un miliardo di anni fa, ospitante un alone radio centrale e una coppia di relitti radio. La peculiarità di questo ammasso sta nel comportamento del relitto nord (dal quale deriva il simpatico nomignolo di “ammasso della salsiccia”), molto dibattuto in letteratura. Generalmente i relitti hanno una densità di flusso che diminuisce all’aumentare della frequenza in maniera regolare. Studi precedenti avevano concluso che questo relitto ad alte frequenze possedeva una densità di flusso di molto inferiore rispetto al modello teorico più accreditato per queste sorgenti: il meccanismo di diffusive shock acceleration (Dsa).

Tale meccanismo prevede che elettroni relativistici vengano ulteriormente accelerati dal passaggio di un’onda d’urto. Le onde d’urto negli ammassi di galassie in formazione sono molto comuni dato che tipicamente l’accrescimento avviene attraverso, ad esempio, la collisione di ammassi vicini che liberano energia nell’ambiente circostante scatenando onde d’urto e turbolenze. Secondo la teoria del Dsa, la compressione del gas dell’ammasso da parte dell’onda d’urto accelera gli elettroni e amplifica il campo magnetico, dando vita ai relitti radio.

Per giustificare il comportamento anomalo del relitto di Ciza J2242+5301 ad alte frequenze, negli ultimi anni sono stati sviluppati modelli alternativi al Dsa, non arrivando tuttavia a una conclusione comune. Il gruppo di ricercatori guidato dalla Francesca Loi ha contribuito a caratterizzare la sorgente osservandola con Srt.

Questo studio è parte di un progetto più ampio, Smog (Srt Multi-frequency Observations of Galaxy clusters) sulla caratterizzazione della componente non termica degli ammassi di galassie, ossia i campi magnetici e le particelle relativistiche. Già diversi mesi fa il programma Smog ha dato i suoi primi risultati nella determinazione del campo magnetico dell’ammasso Abell 194.

Nell’ultimo lavoro pubblicato ci si è concentrati sullo studio di Ciza J2242+5301 e del suo enigmatico relitto. In particolare è stato possibile osservare a 1.4 GHz (vedi immagine a fianco, contorni gialli) e a 6.6 GHz (in grigio e contorni magenta) l’intero ammasso, come si può vedere nell’immagine in alto. Queste misure, insieme a quelle presenti in letteratura, hanno permesso di analizzare l’andamento spettrale del relitto nord fino ad alte frequenze. Il risultato è stato che, se si ammette che gli elettroni rimangano nella zona di amplificazione del campo magnetico per un tempo finito, il relitto incriminato è ben descritto dalla teoria del Dsa.

Oltre alla modellizzazione del relitto nord, è stato possibile fornire per la prima volta una misura del flusso dell’alone radio a 1.4 GHz e modellare lo spettro delle radio galassie che popolano l’ammasso, determinando l’età di alcune di esse. Inoltre, l’analisi delle proprietà X, radio e ottiche degli oggetti vicini a Ciza J2242+5301 è stata utile a individuare un possibile ammasso di galassie o gruppo a circa 6 Mpc avente stesso redshift (quindi distanza da noi) di Ciza J2242+5301. Una possibile interpretazione è che ci si trovi davanti a due sistemi che spinti dalla reciproca attrazione gravitazionale si avvicineranno sempre di più sino a fondersi l’uno nell’altro. Quadro ovviamente da confermare con ulteriori osservazioni e studi.

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