L’elevata sensibilità dell’attuale generazione di interferometri permette oggi di rivelare strutture radio filamentari negli ammassi di galassie mai osservate prima. In particolare, nell’ammasso Abell 2255, sfruttando l’esclusiva combinazione di alta risoluzione e copertura alle basse frequenze offerta da Lofar-Vlbi, un gruppo di ricerca Inaf ha scoperto un’intricata rete di filamenti estesi per centinaia di migliaia di anni luce.
Tra i fenomeni radio più intriganti degli ultimi anni ci sono certamente i cosiddetti filamenti radio o filamenti non termici. Queste strutture sono state osservate in corrispondenza di radiogalassie in ambienti densi, come ammassi e gruppi di galassie. I filamenti si estendono per decine o centinaia di migliaia di anni luce e sono globalmente caratterizzati da spettri radio ripidi (ossia, l’intensità dell’emissione diminuisce rapidamente all’aumentare della frequenza) e da un’elevata frazione di polarizzazione, segno della presenza di campi magnetici ben ordinati nella regione di emissione. La loro origine è ancora ignota: negli ultimi anni in letteratura sono stati proposti diversi modelli, ma lo scarso numero di casi osservati, unito alla mancanza di riscontri su tali strutture nelle simulazioni cosmologiche, impedisce di chiarire definitivamente questo aspetto.
Fenomeni di questo tipo emergono sempre più spesso grazie all’elevata sensibilità dei moderni interferometri, come i precursori del progetto Square Kilometre Array (Ska), e offrono preziose opportunità per indagare le proprietà magnetiche del gas caldo che permea gli ammassi di galassie e l’evoluzione delle particelle in questi ambienti.
Alla pagina precedente: un’immagine composita dell’ammasso di galassie Abell 2255, che mostra un’area di circa 18 milioni di anni luce di estensione. Crediti: Rosat/Lofar/Sdss/Botteon et al.
IL LOW FREQUENCY ARRAY
Uno dei precursori di Ska è il Low Frequency Array (Lofar): un grande radiotelescopio situato nei Paesi Bassi, completato nel 2012 e gestito da Astron, l’Istituto olandese per la radioastronomia e la ricerca scientifica dei Paesi Bassi, e dai suoi collaboratori internazionali. A differenza dei radiotelescopi a parabola singola, Lofar è una rete di migliaia di antenne, supportata da un’infrastruttura informatica all’avanguardia che gestisce volumi di dati enormi. Sebbene sia nato come progetto nazionale nei Paesi Bassi, attualmente l’infrastruttura di ricerca è composta da decine di migliaia di antenne distribuite in diversi paesi europei (in particolare Germania, Polonia, Svezia, Regno Unito, Irlanda, Francia e Lettonia) che vanno a costituire il telescopio a bassa frequenza più sensibile al mondo nella banda compresa tra circa 10 e 240 MHz. Entro la fine del 2026 è prevista l’installazione di una stazione Lofar di nuova generazione (Lofar 2.0) presso la stazione radioastronomica dell’Inaf a Medicina (Bologna), e sarà dotata di capacità osservative avanzate che consentono di monitorare simultaneamente due aree del cielo. Alcune stazioni possono essere utilizzate in modalità di interferometria a lunghissima base Very Long Baseline Interferometry (Vlbi), permettendo così osservazioni ad altissima risoluzione angolare (fino a circa 0,3 secondi d’arco) a una frequenza radio di 144 MHz; questo sistema è noto come Lofar‑Vlbi. I segnali raccolti dalle antenne vengono digitalizzati e combinati tramite elaborazione software, simulando un gigantesco interferometro digitale.
Immagine ottica (Sdss) e radio (Lofar 144 MHz, in rosso) della regione centrale di A2255. Sono visualizzate le sorgenti radio Double, Goldfish, Trail, T-bone, Original Trg, Ghost e Sidekick. Crediti: A. Botteon et al.
ABELL 2255
L’ammasso di galassie Abell 2255, situato a circa 800 milioni di anni luce dalla Terra, è caratterizzato da complesse strutture radio su molteplici scale, osservate negli ultimi decenni da numerosi studi. Recentemente, le prime immagini profonde ottenute con le stazioni olandesi di Lofar hanno rivelato, tra le altre, la presenza di strutture simili a filamenti vicine al centro dell’ammasso, che però non era possibile distinguere nitidamente alla risoluzione angolare consentita dalle sole stazioni olandesi di Lofar (sei secondi d’arco). Per questo motivo, abbiamo deciso di utilizzare anche le stazioni cosiddette “internazionali” di Lofar, per aumentare la risoluzione angolare e risolvere la struttura dei filamenti, così da studiarne le proprietà e cercare di capirne l’origine. L’utilizzo di queste stazioni è stato, per molti anni, estremamente limitato, principalmente a causa delle difficoltà nella calibrazione dei dati e dell’elevato volume di dati prodotto. Basti pensare che per una tipica osservazione Lofar da otto ore vengono prodotti circa 20 terabyte di dati finali. Solo recentemente, grazie a un’evoluzione delle tecniche di calibrazione, la comunità ha iniziato a utilizzare con efficacia questo strumento, aprendo una nuova finestra sul mondo radio alle basse frequenze. Data la combinazione di alta risoluzione angolare e basse frequenze, Lofar-Vlbi rappresenta uno strumento unico per studiare i filamenti radio, in quanto sembrano essere caratterizzati da spettri radio ripidi.
Mappa Lofar-Vlbi della Original Tailed Radio Galaxy, con evidenziate in diversi colori le regioni utilizzate per analizzarne le principali caratteristiche morfologiche. Crediti: E. De Rubeis (Università di Bologna, Inaf) et al.
Combinando 56 ore di osservazione con Lofar-Vlbi, abbiamo ottenuto immagini a una risoluzione angolare fino a 0,3 secondi d’arco delle principali radiogalassie appartenenti all’ammasso di galassie Abell 2255: queste sono alcune delle immagini più profonde mai ottenute utilizzando tale strumento, oltre che alcune delle più profonde mai ottenute nel radio per un ammasso di galassie, e hanno richiesto un elevato sforzo computazionale, legato perlopiù all’enorme mole di dati prodotta dal telescopio. Ognuna delle sette osservazioni, da otto ore ciascuna, è stata calibrata individualmente, richiedendo circa un mese. Complessivamente, la mole di dati prodotta è stata di circa 140 terabyte.
ORIGINAL TRG
La nostra attenzione si è concentrata in particolare sulla cosiddetta Original Tailed Radio Galaxy (Original Trg), una radiogalassia caratterizzata da una lunga coda che si estende per circa 880mila anni luce all’interno di Abell 2255. Le code di questo genere di radiogalassie sono dovute a getti di particelle che viaggiano a velocità relativistiche, espulse dal buco nero centrale delle cosiddette galassie ospiti. Per via dell’interazione col mezzo caldo che permea l’ammasso di galassie, i getti vengono piegati sotto l’effetto della cosiddetta ram pressure (pressione d’ariete), formando queste code di particelle che osserviamo alle frequenze del radio. Grazie alle immagini profonde ottenute con Lofar-Vlbi, siamo riusciti a rivelare per la prima volta un’intricata rete di sottili filamenti che popolano la coda della radiogalassia. Queste strutture, con spessore intorno a una decina di migliaia di anni luce al più, emettono radiazione non termica di sincrotrone osservabile a bassa frequenza. La loro origine, tuttavia, è ancora sconosciuta.
Le nuove immagini rivelano inoltre dettagli inediti di altre radiogalassie all’interno dell’ammasso – come la Goldfish, la Beaver e l’Embryo – caratterizzate da morfologie distorte e lunghe code radio che si estendono per oltre 200mila anni luce fino a più di 3 milioni di anni luce. Insieme ai filamenti nella coda dell’Original Trg, ce ne sono altri più estesi e deboli che popolano le regioni centrali di Abell 2255. Questi filamenti, per poter essere osservati con Lofar-Vlbi, richiedono l’utilizzo di tecniche di calibrazione più avanzate e complesse dal punto di vista computazionale. Serve infatti calibrare l’intero campo di vista dell’ammasso, attraverso una procedura nota come wide-field (campo largo).
Per Abell 2255, abbiamo quindi ricalibrato le 56 ore di osservazione, così da avere un’immagine ad alta risoluzione angolare (1,5 secondi d’arco) con Lofar-Vlbi che permettesse di osservare completamente le strutture filamentari che caratterizzano l’ammasso. È stata la prima volta in cui tale tecnica è stata applicata a un ammasso di galassie, e ha permesso di osservare e di districare molteplici filamenti radio nelle strutture conosciute come Trail e T-bone, così come nelle misteriose Comma e Counter-Comma, dove l’origine delle particelle che costituiscono i filamenti resta, se possibile, ancora più misteriosa. In questo caso, data la grande dimensione della regione d’interesse, ottenere l’immagine ha rappresentato un enorme collo di bottiglia in termini di tempo di calcolo. Per via delle 56 ore di osservazione combinate, la produzione dell’immagine finale ha richiesto circa 45 giorni per essere completata. Questo tempo sottolinea la criticità dell’elaborazione dei dati provenienti dai più moderni interferometri che sta ponendo importanti sfide nel campo in ottica dell’arrivo di Ska, il più grande radiointerferometro mai costruito prima.
NON SOLO A BASSA FREQUENZA
A partire dall’immagine del campo largo di Abell 2255, abbiamo ampliato l’indagine sulla natura dei filamenti combinando i dati di Lofar-Vlbi con osservazioni a frequenze più elevate, ottenute con l’upgraded Giant Metrewave Radio Telescope (uGMRT) e con il Karl G. Jansky Very Large Array (Vla). Questo ci ha permesso di ottenere informazioni sulla forma dello spettro radio a una risoluzione mai raggiunta, necessaria per separare la struttura dei diversi filamenti. Un altro aspetto cruciale è la polarizzazione. Nelle strutture in cui è stato possibile effettuare l’analisi, si è osservato che i filamenti presentano un’elevata polarizzazione, segno della presenza di un campo magnetico ordinato e ben allineato lungo l’intera estensione del filamento.
Una parte del radiotelescopio esteso situato vicino a Exloo, nei Paesi Bassi. Crediti: Lofar / Astro
Dalle informazioni raccolte con questa analisi, si è giunti all’idea che i filamenti in Abell 2255 vengano generati dall’elevato grado di turbolenza e instabilità che caratterizza la regione della coda, a causa dell’interazione tra la radiogalassia e il mezzo ambiente dell’ammasso. In futuro, nuovi dati X-ray ci aiuteranno a far luce sulle proprietà dei filamenti in relazione al mezzo ambiente, ma i principali punti di sviluppo riguarderanno la capacità di riprodurre queste nuove e affascinanti strutture attraverso le simulazioni.
Con l’avvento di Ska, possiamo aspettarci sempre più osservazioni di filamenti radio, grazie all’enorme sensibilità che si raggiungerà nelle osservazioni radio. Far luce sull’origine dei filamenti e capirne la presenza negli ammassi di galassie permetterà di scoprire potenzialmente un regime completamente nuovo che caratterizza il mezzo ambiente negli ammassi, specialmente in relazione al proprio campo magnetico che influenza in modo unico l’evoluzione e il trasporto delle particelle attraverso scale di centinaia di migliaia di anni luce.