L’aurora cosmica che unisce due ammassi di galassie

Gli ammassi di galassie Abell 0399 e 0401 ripresi da LOFAR (Immagine: M. Murgia / INAF)

Campi elettrici e magnetici pervadono – come in una sterminata aurora intergalattica che si estende per 10 milioni di anni luce – il tenue ponte di gas che congiunge due ammassi di galassie chiamati Abell 0399 e Abell 0401. Ad individuarli per la prima volta, grazie alle misure del radiotelescopio LOFAR, è stato un team internazionale di ricercatrici e ricercatori guidato dall'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) di Cagliari che ha coinvolto anche il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna.

AMMASSI E FILAMENTI
Nell’universo la materia è distribuita come una “ragnatela cosmica”, costituita da strutture filamentari alla cui intersezione si formano enormi concentrazioni, dette ammassi, di migliaia di galassie. Gli ammassi di galassie possono essere considerati i più grandi oggetti gravitazionalmente legati presenti nell’universo. Le osservazioni finora effettuale con i radiotelescopi mostrano nelle zone centrali di alcuni ammassi un “alone” di emissione radio che conferma l'esistenza di un campo magnetico, probabilmente amplificato da processi di fusione e progressivo inglobamento di strutture più piccole.

Fino ad oggi, tuttavia, non era mai stato osservato un campo magnetico nei filamenti che collegano gli ammassi tra di loro. Per quanto immensi, i filamenti di questa ragnatela sono infatti estremamente rarefatti e difficili da osservare. “In questo contesto, la coppia di ammassi Abell 0399 e Abell 0401 è davvero eccezionale”, dice Federica Govoni, dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) di Cagliari, prima autrice dell’articolo che descrive la scoperta, pubblicato sulla rivista Science. “Già da tempo il nostro gruppo aveva scoperto che entrambi gli ammassi possiedono un alone radio. Più di recente il satellite Planck ha mostrato che i due sistemi sono connessi da un tenue filamento di materia. La presenza di questo filamento ha stimolato la nostra curiosità e ci ha spinti ad investigare se il campo magnetico potesse estendersi anche oltre il centro degli ammassi, permeando il filamento di materia che li connette. Con grande soddisfazione l’immagine ottenuta con il radiotelescopio LOFAR ha confermato questa nostra intuizione, mostrando quella che può essere definita una sorta di ‘aurora’ su scale cosmiche”.

ELETTRONI E CAMPI MAGNETICI
L’emissione di queste onde radio è dovuta al meccanismo di sincrotrone che si origina quando elettroni altamente energetici si muovono all'interno di un campo magnetico. “Tipicamente osserviamo questo meccanismo di emissione in azione in singole galassie e persino in ammassi di galassie, ma mai fino ad ora era stata osservata una emissione radio connettere due di questi sistemi”, aggiunge Matteo Murgia primo ricercatore dell’Istituto nazionale di astrofisica. “Comprendere la natura di questa sorgente radio è una vera e propria sfida visto che gli elettroni, durante il loro tempo di vita radiativo, riescono a percorrere un tratto di spazio molto minore dell’estensione dell’intera sorgente. Deve quindi esistere un qualche meccanismo responsabile della loro accelerazione che opera lungo tutto il filamento”.

“Questa collaborazione ha combinato le tecniche osservative radio più avanzate con simulazioni magneto-idrodinamiche allo stato dell’arte”, osserva Annalisa Bonafede, professoressa associata dell’Università di Bologna, tra gli autori dello studio. “Provare l’esistenza di tali campi magnetici e conoscere la loro intensità e struttura è una delle problematiche cruciali per indagare l’origine e l'evoluzione delle strutture su larga scala nell'Universo. Confrontando le osservazioni radio con simulazioni numeriche stimiamo che il campo magnetico nel filamento che connette Abell 0399 e Abell 0401 sia dell’ordine di centinaia di nanoGauss”.

IL TELESCOPIO LOFAR E LO SQUARE KILOMETRE ARRAY
LOFAR è un telescopio realizzato per esplorare l’Universo alle basse frequenze radio. Costituito da oltre 25 mila antenne raggruppate in 51 stazioni, ha il nucleo in Olanda e stazioni disseminate in diverse nazioni europee. L'Italia è entrata nel progetto Lofar nel 2018 e, nei prossimi anni, sarà installata dall'INAF una nuova stazione osservativa, presso Medicina, in provincia di Bologna. Si tratta di uno strumento totalmente digitale senza parti in movimento. In pratica, vengono acquisiti tutti i segnali dalle antenne, digitalizzati, e tramite sistemi dedicati si riesce a far sì che il puntamento della zona di cielo prescelta avvenga elettronicamente.

LOFAR è anche uno strumento scientifico e tecnologico propedeutico allo Square Kilometre Array (SKA), che sarà lo strumento di punta del prossimo futuro. La comunità scientifica programma di studiare con SKA campioni di ammassi di galassie per comprendere in dettaglio quali siano l'origine, le proprietà e l'evoluzione del loro campo magnetico, e di analizzare se l’emissione rivelata nel filamento che connette Abell 0399 ed Abell 0401 sia un fenomeno comune nello spazio oltre gli ammassi di galassie, nei filamenti della “ragnatela cosmica”.

I PROTEGONISTI DELLO STUDIO
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science con il titolo “A radio ridge connecting two galaxy clusters in a filament of the cosmic web”. A realizzarlo è stato un team internazionale di ricercatrici e ricercatori coordinato da Federica Govoni dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) di Cagliari e che ha visto la partecipazione di studiosi dell’INAF, del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna e della Scuola Normale Superiore di Pisa, oltre a ricercatori appartenenti a diversi istituti europei in Olanda, Germania, Francia, Svizzera, Svezia e Regno Unito. Per l’Università di Bologna ha partecipato la professoressa Annalisa Bonafede, docente al Dipartimento di Fisica e Astronomia.