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Il metodo per la ricerca dei quasar è illustrato da queste due fotografieeseguite con il telescopio Curtis Schmidt da 60 centimetri dell'Osserva-torio interamericano di Cerro Tololo in Cile. In una singola fotografiadiretta del cielo i quasar e le stelle sono indistinguibili perché appaionoentrambi quali punti luminosi come nella stampa in negativo in alto.Quando davanti all'apertura del telescopio Schmidt viene posto un sot-tile prisma, l'immagine di ogni oggetto viene dispersa in uno spettro,come nella stampa in negativo della stessa porzione di cielo in basso. Inquest'ultima fotografia le lunghezze d'onda più lunghe nell'estremitàrossa dello spettro sono sulla destra e le lunghezze d'onda più corte

.......011~111111W

nell'estremità violetta dello spettro sono sulla sinistra. Gli spettri dellestelle o sono privi di particolari caratteristiche o presentano bandebianche che indicano l'assorbimento di una parte dell'emissione stella-re. Il quasar, indicato da trattini in entrambe le fotografie, presentaun'intensa riga di emissione, la riga Ly man-alfa dell'idrogeno, che èstata spostata dalla sua posizione normale a 121,6 nanometri nella par-te dello spettro dell'ultravioletto lontano alla soglia dello spettro visi-bile a 372 nanometri, che corrisponde a uno spostamento verso il rossodi 2,06. Questo quasar, QO 149-397, è stato uno dei primi scopertida M. G. Smith con il prisma montato sul telescopio Curtis Schmidt.

diciannove anni di distanza dallaloro scoperta da parte di Maar-ten Schmidt i quasar costitui-

scono ancora uno dei grandi enigmi del-l'astronomia. Pur se la loro natura restacontroversa, nonio è la loro descrizione: iquasar sono oggetti stellari con un grandespostamento verso il rosso. La luce emes-sa da essi viene fortemente spostata versol'estremità rossa dello spettro, il che sta asignificare che essi si stanno allontanandocon una notevole frazione della velocitàdella luce. Se i quasar sono così lontanicome i loro grandi spostamenti verso ilrosso parrebbero indicare, essi dovrebbe-ro essere molto più lontani delle galassieordinarie, i cui spostamenti verso il rossodimostrano l'espansione generale dell'u-niverso. Un quasar può essere 1000 voltepiù luminoso di un'intera galassia formatada 100 miliardi di stelle. La luce prove-niente dai quasar più lontani ha iniziatoil proprio viaggio quando l'universoaveva solo un quarto della sua età attua-le e ha impiegato 15 miliardi di anni perarrivare fino a noi.

In questo articolo non è mia intenzionediscutere la difficile fisica della natura deiquasar; desidero invece concentrarmi suciò che i quasar possono dirci sul lontanouniverso e sulle sue condizioni in un'epo-ca precedente. Adotterò l'ipotesi di lavo-ro che i quasar siano i luminosissimi nu-clei di galassie altrimenti troppo lontaneper essere osservate. Attorno a qualchedebole quasar relativamente vicino sipossono rilevare tracce di una galassia,ma i luminosi quasar lontani si possonodistinguere dalle stelle soltanto per le loroproprietà spettrali. La distinzione traquasar e stelle ha posto gli astronomi da-vanti a una sfida più impegnativa. Unasingola fotografia ad ampio campo delcielo eseguita con un grande telescopioSchmidt (così chiamato dal nome del si-stema ottico progettato negli anni ventida Bernhard Schmidt) mostra almeno200 000 immagini stellari, delle quali solopoche centinaia sono quasar.

I primi quasar furono scoperti da astro-nomi ottici che stavano tentando di iden-tificare radiosorgenti celesti. Con il perfe-zionamento delle tecniche radio, le posi-zioni assegnate alle radiosorgenti diven-nero sempre più precise e in molti casiindicavano particolari immagini stellarisulle lastre fotografiche. Dal momentoche le stelle normali non potevano essererivelate come radiosorgenti con le appa-recchiature disponibili all'epoca, la coin-cidenza di una radiosorgente con un og-getto stellare costituì un buon metodo perseparare i quasar dalle stelle. Il risultatofu che la maggior parte dei quasar identi-ficati inizialmente erano intense radio-sorgenti, quindi radiosorgenti quasi stel-lari, o quasar.

Si scoprì, però, ben presto che un nume-ro molto maggiore di quasar erano deboliemettitori radio ed erano perciò sfuggitial rilevamento con radiotelescopi. AllanR. Sandage, lavorando con il telescopioHale da 200 pollici del Monte Palomar,scoprì che i quasar emettevano molta piùradiazione ultravioletta delle stelle ordina-rie e potevano pertanto essere individuaticonfrontando le immagini stellari su lastrefotografiche sensibili all'ultravioletto conle immagini corrispondenti su lastre ordi-narie, che sono sensibili principalmentealla luce dell'estremità blu dello spettrovisibile. Sandage dimostrò che i quasar chenon emettono alle lunghezze d'onda radiosono molto più numerosi di quelli con in-tense radioemissioni.

D ecentemente, per scoprire quasar congrande spostamento verso il rosso, è

stato messo a punto un nuovo metodo otti-co il quale è complementare al metodobasato sulla loro luminosità ultravioletta.Tale metodo è derivato casualmente da unprogetto che io e Malcolm G. Smith av-viammo parecchi anni fa quando ese-guimmo una ricerca di certe galassie i cuispettri presentano intense righe di emis-sione anziché righe di assorbimento, chesono più caratteristiche. La ricerca fu ese-

guita con il telescopio da 60 centimetriCurtis Schmidt dell'Osservatorio intera-mericano di Cerro Tololo in Cile, congiun-tamente a due telescopi a riflessione, dimaggiori dimensioni, da 1,5 e da quattrometri di diametro. Smith aveva program-mato di fotografare gli spettri di oggettideboli in un vasto campo disponendo unprisma sottile di nuovo progetto al di sopradell'apertura del telescopio Schmidt.

Il metodo di disperdere in spettri leimmagini normalmente puntiformi dellestelle mediante un prisma obiettivo haavuto una lunga e caratteristica storia inastronomia stellare. La novità del metododi Smith fu la combinazione di un prismaa bassa dispersione (per conservare laluce da oggetti deboli) con lastre fotogra-fiche di nuovo tipo con grana fine e altocontrasto. Questa combinazione, insiemealle eccezionali condizioni di osservazio-ne di Cerro Tololo, consentì di registrarespettri di oggetti più deboli di quelli otte-nuti con un telescopio di modeste dimen-sioni come quello Curtis Schmidt. Unavolta identificate con questo metodo legalassie, si potevano esaminare dettaglia-tamente le loro caratteristiche spettralinegli spettri ad alta dispersione forniti daitelescopi più grandi.

Esaminando le lastre Schmidt ad ampiocampo Smith notò che oltre alle galassiecon righe di emissione che speravamo ditrovare c'erano alcuni oggetti, probabil-mente quasar, con righe di emissione inposizioni impreviste nei loro spettri.Quando esaminammo tali oggetti più indettaglio con telescopi di maggiori dimen-sioni e con uno spettrometro Vidicon (te-lecamera intensificata) che avevo adattatoallo scopo scoprimmo che si trattava vera-mente di quasar con grande spostamentoverso il rosso. La tecnica di Smith fornìquindi un metodo diretto ed efficace perdistinguere i quasar dalle stelle in lastre adampio campo e, per distinguere i quasarcon grande spostamento verso il rosso, ilmetodo si rivelò più efficace di quello basa-to sulla luminosità ultravioletta.

Nei quasar l'immaginedel primo universo

La luce di questi oggetti misteriosi ha impiegato 15 miliardi dianni a giungere sulla Terra. I quasar costituiscono, quindi, unasingolare testimonianza di come era l'universo ai suoi primordi

di Patrick S. Osmer

108 109

OSSIGENO VI(103,4)

90 100 110 120 130

LUNGHEZZA D'ONDA OSSERVATA (NANOMETRI)

366,0 402,6 439.2 475.8 512,4 549,0 585,6

LYMAN-ALFA CARBONIO IV/(121,6) (154,9)

AZOTO V

329,4

(124,0)

II\ I

CONTINUO

140

150 160

LUNGHEZZA D ONDA DI RIPOSO (NANOMETRI)

Gli spettri dei quasar rivelano che gli atomi emittenti sono più altamente ionizzati (privati di piùelettroni) degli atomi delle nebulose circostanti le calde e giovani stelle della stessa nostra galassia.Anche le righe di emissione sono fortemente spostate verso l'estremità rossa dello spettro rispettoalla loro lunghezza d'onda di riposo, non spostata verso il rosso. Questo spettro del quasar QO453-423 è stato eseguito con il sistema di telecamera Vidicon sul telescopio da 1,5 metri di CerroTololo. La intensa riga Lyman-alfa ha subito uno spostamento verso il rosso a 445,1 nanome-tri, nella regione blu dello spettro visibile, a partire dalla sua lunghezza d'onda di riposo di121,6 nanometri nell'ultravioletto lontano. Ciò corrisponde a uno spostamento verso il rosso di2,66 (ricavato sottraendo 121,6 da 445,1 e dividendo per 121,6). Lo spettro mostra che leemissioni dall'ossigeno VI, dall'azoto Ve dal carbonio IV sono spostate verso il rosso della stessaentità. 1 numeri romani sono di un'unità superiori al numero di elettroni strappati agli atomi.

LYMAN-ALFA(121,6) \,

AZOTO/(124,0)

CARBONIO IV(154,9)

CONTINUO

LUNGHEZZA D'ONDA OSSERVATA (NANOMETRI)

498,3 543,6 588,9 634,2 679,5

724.8

110 120 130 140

150

160

LUNGHEZZA D'ONDA DI RIPOSO (NANOMETRI)

11 valore 3,53 è il massimo spostamento verso il rosso rilevato di qualsiasi oggetto celesteconosciuto e appartiene al quasar OQ 172. Il suo spettro, ottenuto con il telescopio da quattrometri di Cerro Tololo, mostra la riga LN man-alfa spostata da una lunghezza d'onda di 121,6nanometri a una lunghezza d'onda di 5515,8 nanometri nella regione verde dello spettro visibile.Le numerose righe di assorbimento sulla sinistra della riga Lyman - alfa dell'idrogeno ionizzatosono causate da nubi di gas che si trovano lungo la linea visuale tra il quasar e il sistema solare.

Successivamente Smith esplorò unalunga striscia del cielo meridionale con iltelescopio Curtis Schmidt. Inoltre, insie-me ad Arthur A. Hoag del Kitt Peak Na-tional Observatory estese l'esplorazione agrandezze inferiori in campi ristretti delrilevamento Schmidt inserendo un retico-lo di diffrazione a trasmissione (equiva-lente a un prisma) nel fuoco primario deltelescopio da quattro metri di Cerro Tolo-lo. Io continuai a esaminare i quasar nonrivelati nei due rilevamenti effettuati conil più sensibile spettrometro Vidicon.L'insieme delle osservazioni costituisce labase dei nuovi risultati che descriverò.

Gli spettri dei quasar sono completa-mente diversi da quelli di tutti gli

altri oggetti astronomici. Il grande spo-stamento verso il rosso rende visibili re-gioni dello spettro dell'ultravioletto lon-tano mai registrate in precedenza con itelescopi con base a terra. Il valore dellospostamento verso il rosso, spesso indica-to con Z, si ottiene sottraendo la lunghez-za d'onda di riposo (la lunghezza d'ondanon spostata verso il rosso) di una riga diemissione dalla sua lunghezza d'ondaosservata e dividendo la differenza per lalunghezza d'onda di riposo. L'aspetto chepiù colpisce negli spettri dei quasar è lariga Lyman-alfa dell'idrogeno atomico,spostata anche di un fattore 4,5 dalla suaposizione normale a una lunghezza d'on-da di 121,6 nanometri nell'ultraviolettofino a circa 550 nanometri, la lunghezzad'onda della luce giallo-verdastra. In talcaso Z risulterebbe 3,5 (550 meno 121,6diviso per 121,6). Negli spettri dei quasarcon grandi spostamenti verso il rosso sonopure intense le righe di emissione dell'os-sigeno, dell'azoto e del carbonio connormali lunghezze d'onda ultraviolettecomprese tra 103.4 e 154,9 nanometri.

Inoltre, in molti casi le righe di emissio-ne sono larghe, indicando che una partedel gas che circonda il quasar è in moto avelocità fino a 10 000 chilometri al se-condo. Le condizioni fisiche dedotte dalleintensità delle varie righe mostrano che ilgas è più caldo del gas nelle normali nebu-lose e che la sorgente centrale del quasarnon irraggia affatto come una stella nor-male. Il punto principale della questioneconsiste però nel fatto che la riga Lyman--alfa è la caratteristica più intensa de-gli spettri dei quasar ed è perciò quellapiù facilmente rivelata sulle lastre diSchmidt eseguite attraverso un prismaobiettivo. Pertanto il metodo del prismaobiettivo favorisce il rilevamento di qua-sar con grandi spostamenti verso il rosso.

Se gli spostamenti verso il rosso vengo-no interpretati come velocità di recessio-ne, lo spostamento verso il rosso necessa-rio per muovere la radiazione Lyman-alfadi 364,8 nanometri nella regione dellospettro dell'ultravioletto vicino, equiva-lente a uno spostamento verso il rossopari a 2, corrisponde all'80 per cento dellavelocità della luce. 00 172, il quasar conil più grande spostamento verso il rossoche si conosca, 3,53, si sta chiaramenteallontanando al 91 per cento della veloci-tà della luce. Nella stessa scala le stelle

112

t = 0,75

(15 MILIARDI DI ANNI)

QUASAR

TERRA

•

t=1

(20 MILIARDIDI ANNI)

QUASAR

TERRA

•

o

QUASAR •

QUASAR

TERRA

t = 0,5

(10 MILIARDI DI ANNI)

t=0

t =0,25(5 MILIARDI DI ANNI)

QUASAR

TERRA o

all'interno delle galassie hanno velocitàpari allo 0.1 per cento della velocità dellaluce e le galassie vicine si stanno allonta-nando da noi a non più dell'i per centodella velocità della luce.

In più di un quarto di secolo di misura-zioni effettuate sugli spostamenti verso ilrosso delle galassie con il telescopio da100 pollici di Mount Wilson e con il tele-scopio da 200 pollici di Monte Palomar, ilmassimo valore registrato da Milton L.Humason è stato uno spostamento versoil rosso di 0,2, ottenuto nel 1949. Passa-rono altri 11 anni prima che RudolphMinkowski, sempre con il telescopio da200 pollici, spingesse il limite fino a 0,46,un record che resistette per molti anni.Entro due anni dalla scoperta di MaartenSchmidt del 1963 del primo quasar, 3C273, dotato di uno spostamento verso ilrosso piuttosto modesto, 0,158, la «bar-riera» 2 nello spostamento verso il rossovenne infranta. Il valore massimo di 3,53è stato registrato nel 1973.

Se si interpretano gli spostamenti versoil rosso dei quasar come dovuti all'espan-sione dell'universo, essi non sono oggettivicini in moto ad alta velocità, ma sonooggetti estremamente lontani. Questa èuna conseguenza diretta della conclusio-ne cui giunse Edwin P. Hubble nel 1929,soprattutto sulla base delle osservazionidi Humason e secondo la quale le galassiesi stanno allontanando da noi (e una dal-l'altra) a velocità proporzionali alle lorodistanze. Sulla base della scala attuale del-l'universo una galassia con uno sposta-mento verso il rosso pari a solo 0,01 (ossiaa una velocità apparente di recessione di3000 chilometri al secondo) dovrebbetrovarsi a una distanza di 200 milioni dianni luce. Si tratta già di una distanzanotevole; la galassia a spirale più vicina, lagalassia di Andromeda, dista soltanto cir-ca due milioni di anni luce. I quasar sonodi gran lunga più lontani e quelli con imaggiori spostamenti verso il rosso si av-vicinano all'orizzonte, ossia al limite, del-l'universo osservabile.

T a, misurazione delle distanze ha sempreI costituito un problema per l'astro-nomia. Solo le stelle più vicine sono stateveramente misurate con metodi trigono-metrici, come un geometra misura le di-stanze sulla Terra; tutte le misurazioni aldi là di queste stelle sono state estrapola-

Questa rappresentazione schematica dell'uni-verso in differenti epoche illustra come i quasarpossano fornire spiegazioni sulle condizioniesistenti in epoche antiche. La luce che arrivaoggi alla Terra da un quasar con uno sposta-mento verso il rosso pari a 3 è stata emessacirca 15 miliardi di anni fa, soltanto cinquemiliardi di anni dopo l'ipotetico big bang cheha avviato l'espansione dell'universo da unostato denso (t = O). All'età di cinque miliardi dianni l'universo aveva dimensioni pari solo a unquarto di quelle attuali. I cerchi in colore indi-cano la distanza coperta dalla radiazione delquasar mentre l'universo si espande e il quasare la nostra galassia si allontanano. La radiazio-ne raggiunge alla fine i telescopi sulla Terra.

114

La fotografia, eseguita con il telescopio da quattro metri di CerroTololo, mostra l'ammasso di galassie del Centauro, uno dei moltiammassi noti. Distante circa 225 milioni di anni luce, esso comprende

circa 250 grandi galassie, separate tra loro di circa 700 000 anni luce.La comprensione del processo di formazione degli ammassi dovrebbeaiutare a spiegare come si sono formate le galassie nel primo universo.

20 15 10 oTEMPO COSMICO (MILIARDI DI ANNI)

o 5 10 15 20TEMPO MISURATO ALL'INDIETRO (MILIARDI DI ANNI)

o 033 1 3.3 n

SPOSTAMENTO VERSO IL ROSSO

La densità dei quasar 15 miliardi di anni fa era più di cento volte superiore a quella attuale,secondo i calcoli eseguiti da Maarten Schmidt. che scoprì il primo quasar nel 1963. L'assenza diquasar con spostamento verso il rosso maggiore di 3,53 indica che gli astronomi hanno esplorato lapiù remota epoca di formazione dei quasar. A tutt'oggi si conoscono all'incirca 1500 quasar.

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te. Nessuno sostiene che gli spostamentiverso il rosso rivelino le distanze assolutedelle galassie, ma si è generalmente d'ac-cordo sul fatto che gli spostamenti verso ilrosso costituiscono una buona misura del-le distanze relative. Il concetto di univer-so in espansione implica che un oggettocon un grande spostamento verso il rossoviene visto come era molto tempo fa. Laluce che arriva a noi da un quasar con unospostamento verso il rosso pari a 3 è stataemessa circa 15 miliardi di anni fa. La luceproveniente da un quasar con uno spo-stamento verso il rosso pari solo a 1 haviaggiato per 10 miliardi di anni, ossia lametà dell'età dell'universo.

Un'ulteriore conseguenza di un univer-so in espansione è che lo spostamentoverso il rosso fornisce una misura direttadel fattore di espansione. Quando è stataemessa la luce da un quasar con uno spo-stamento verso il rosso pari a 3, l'universoaveva dimensioni pari soltanto a un quar-to di quelle attuali, cioè tutto era quattrovolte più ravvicinato. La distribuzionedegli spostamenti verso il rosso dei quasarfornisce perciò molte indicazioni sulla

struttura e sulle caratteristiche del primouniverso. Aggiungo subito che i particola-ri delle relazioni matematiche tra gli spo-stamenti verso il rosso osservati e le pro-prietà dell'universo sono alquanto com-plessi e certamente controversi, date lelabili ipotesi che si possono ricavare dadati ancora limitati ottenuti dalle osserva-zioni. Ciononostante, certi aspetti del-l'indagine sono relativamente indipen-denti dai minuti particolari e noi concen-treremo su di essi l'attenzione.

Nei primi anni di ricerca sui quasarmolti astronomi speravano che questioggetti aiutassero a decidere quale dellemolte ipotesi possibili sull'evoluzione del-l'universo fosse corretta. Tale speranzanon fu soddisfatta, ma verso la fine deglianni sessanta Maarten Schmidt scoprì unanotevole proprietà dei quasar lontani:essi sono molto più numerosi nello spazioa grandi distanze di quanto lo siano nellenostre vicinanze. In corrispondenza a unospostamento verso il rosso di 2, pari acirca 13 miliardi di anni fa, la loro densitàera 1000 volte superiore di quella attuale.Evidentemente, qualunque sia stato il

processo che ha dato origine ai quasar,esso deve essere stato estremamente atti-vo quando l'universo era giovane mentreoggi si è praticamente ridotto a nulla.

All'epoca del lavoro compiuto daMaarten Schmidt sulla densità spazialedei quasar il massimo spostamento versoil rosso conosciuto era pari a 2.88. Consi-derata l'enormità di tale valore in con-fronto alle previsioni di solo qualche annoaddietro, questo risultato suggerì che iquasar con spostamenti verso il rossomolto maggiori fossero abbondanti. Per-ché non venivano scoperti quasar conspostamenti verso il rosso pari a 3? SiaSchmidt sia Sandage richiamarono l'at-tenzione su questo punto e avanzaronol'ipotesi che gli spostamenti verso il rossodei quasar avessero un limite.

Le implicazioni di un tale limite eranoestremamente importanti. Il limite com-portava che almeno per un tipo di oggettigli astronomi dovessero cercare ai confinidell'universo. Pareva quasi che i quasar sifossero improvvisamente formati in unagrande esplosione di attività circa 15 mi-liardi di anni fa. Una tale idea, ovviamen-te, era destinata a influenzare notevol-mente le ipotesi sulla natura fondamenta-le dei quasar. Se si suppone anche che iquasar rappresentino enormi processienergetici nel centro delle galassie, il limi-te allo spostamento verso il rosso ha im-portanti implicazioni per l'evoluzione del-le galassie stesse.

Naturalmente gli astronomi continua-rono a cercare quasar con spostamentiverso il rosso sempre maggiori. Un'ovviadeduzione fu che il limite apparente po-tesse essere il risultato di qualche effettodi selezione nei metodi di identificazione,anche se i quasar conosciuti erano statiscoperti con esplorazioni del tutto etero-genee basate su metodi diversi. Era con-troverso se i quasar con spostamenti versoil rosso maggiore di 2,5 o di 3 potesserocontinuare a essere più luminosi nell'ul-travioletto delle stelle ordinarie. Il quasarcon uno spostamento verso il rosso di2,88 non presentava una particolare in-tensità nell'ultravioletto e, dal momentoche la sua riga più intensa di emissione, laLyman-alfa, è spostata verso il centro del-lo spettro visibile, risulterebbe difficiledistinguere questo quasar e altri oggettisimili dalle stelle normali.

In realtà, quando nel 1973 venne sco-perto il quasar con uno spostamento ver-so il rosso di 3,53, esso si rivelò di colorerosso. Venne identificato solo perché iradioastronomi avevano determinato lasua posizione con elevata precisione. Se sifosse trattato di un quasar privo di segnaliradio, non avrebbe destato attenzione. Lasua scoperta, insieme ai dubbi sulla com-pletezza delle precedenti ricerche, man-tenne aperta la questione sulla possibileesistenza di un limite allo spostamentoverso il rosso.

Jl metodo del prisma obiettivo da noi messo a punto a Cerro Tololo offrì

nuove possibilità di affrontare il proble-ma. Dato che il metodo si basava soltantosul rilevamento delle righe di emissione,

esso era completamente indipendente dalcolore del quasar, ultravioletto o altro.Anche se il metodo aveva inevitabilmentedei limiti, questi erano almeno differentida quelli di tutte le altre ricerche.

Il metodo del prisma obiettivo consentìdi rilevare la riga Lyman-alfa dei quasarfino all'estremità rossa dello spettro comepermettono le emulsioni fotografiche.L'emulsione scelta da Hoag e Smith per laloro approfondita esplorazione con il te-lescopio da quattro metri era sensibilealla riga Lyman-alfa fino a 690 nanometrinell'estremo rosso, equivalente a unospostamento verso il rosso di 4,7. Ciono-nostante, nessuno dei 71 nuovi quasarscoperti nel corso della loro esplorazionerivelò uno spostamento verso il rossomaggiore di 3,45, che era vicino, ma nonsuperiore al precedente limite. Colpitidall'importanza del risultato, Robert F.Carswell dell'Università di Cambridge eSmith dimostrarono successivamente chel'esplorazione di Hoag e Smith non avevauna sensibilità sufficiente, per spostamen-ti verso il rosso superiori a 3,5, perché laloro densità effettivamente diminuisse. Si

imponeva perciò una nuova esplorazione.Eseguii osservazioni con il telescopio

da quattro metri di Cerro Tololo in unprogramma ottimizzato per la ricerca diquasar con spostamenti verso il rossocompresi tra 3,7 e 4,7, nel caso fosseroesistiti. Lavorando con un reticolo a tra-smissione di sensibilità più elevata nellaregione di 600 nanometri insieme a unfiltro per eliminare la luce del cielo not-turno a lunghezze d'onda inferiori a 570nanometri, fui in grado di rivelare quasartre volte più deboli di quanto avevanofatto Hoag e Smith nella regione criticacompresa tra 570 e 690 nanometri. Sco-prii 15 oggetti con righe di emissione, cia-scuno dei quali avrebbe potuto trovarsi aldi sopra del limite di 3,5. Successive os-servazioni con lo spettrometro Vidiconmostrarono, però, che in nessun caso lariga rilevata sulla lastra fotografica eraquella Lyman-alfa. In cinque oggetti lariga risultò dovuta al carbonio contenutonei quasar con spostamenti verso il rossocompresi tra 2,8 e 3,4; tutti gli oggettirimanenti erano o quasar con spostamentiverso il rosso prossimi a 1 o galassie con

spostamenti verso il rosso di circa 0,2. Puressendo in un certo senso deludenti questirisultati facevano sperare di poter osser-vare, se esistevano, quasar con sposta-menti verso il rosso pari a 4. Tutti i nuoviquasar furono scoperti dal rilevamento dirighe più deboli della riga Lyman-alfa,completamente all'opposto delle prece-denti esplorazioni eseguite con il metododel prisma obiettivo.

La mia successiva analisi quantitativadimostrò che i nuovi risultati del rileva-mento potevano essere realmente com-presi solo se la densità spaziale di quasaral di là di uno spostamento verso il rossodi 3,5 era di un fattore tre o più al di sottodel valore osservato a uno spostamentoverso il rosso di 3. Il limite non escludeche si possano trovare alcuni quasar adistanze maggiori, ma dimostra in modoconvincente che abbiamo raggiunto ilpunto di inversione.

Valide prove a sostegno dell'esistenzadi un limite di spostamento verso il rossosono fornite dall'insuccesso dei radioa-stronomi nello scoprire quasar più lonta-ni, anche se essi dispongono oggi di posi-

116

117

Il più lontano oggetto, finora individuato. sulla base del suo spostamento verso il rosso di 3,53, è ilquasar OQ 172, che si presenta come una comune stella in questa fotografia eseguita con iltelescopio Schmidt da 1,2 metri di Monte Palomar. OQ 172 fu scoperto nel 1973 al LickObservatory da E. Joseph Wampler, Lloyd B. Robinson. Jack Baldwin ed E. Margaret Burbidge.

354

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oASCENSIONE RETTA (ORE)

Le ricerche di quasar a Cerro Tololo sono state eseguite lontano dal piano della Via Latteaper evitare l'oscuramento della polvere interstellare o di qualche altro materiale che avrebbeassorbito la luce proveniente da galassie e quasar lontani. La banda grigia indica la regione di340 gradi quadrati esplorata dalla ricerca di Smith con il telescopio Curtis Schmidt da 60centimetri munito di un prisma disposto davanti all'apertura. Le sette piccole zone in colore, checoprono complessivamente 5,1 gradi quadrati, sono state esplorate da Smith e da Arthur A.Hoag con il telescopio da quattro metri. Il telescopio da quattro metri era in grado di registrareoggetti circa quattro volte più deboli di qualsiasi oggetto rivelato dal telescopio Curtis Schmidt.

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23

p ,sCEN SIONE R ETTA (ORE) 22

zioni molto precise che consentono diignorare il colore dei possibili quasar.Recentemente gli astronomi che lavoranonel campo dei raggi X hanno fornito i datiraccolti dal satellite per raggi X, l'Osser-vatorio Einstein. Sebbene il telescopio araggi X del satellite abbia facilmente ri-preso 00 172, il quasar più lontano, emolti altri quasar con spostamenti verso ilrosso di circa 3,1, non si è scoperto alcunoggetto che superi tale record. È probabi-le che le ricerche progrediscano con loSpace Telescope, la cui messa in orbita èprevista per il 1985.

Le nostre ricerche a Cerro Tololo indi-cano che la densità dei quasar nello spaziocontinua a mantenersi elevata fino a spo-stamenti verso il rosso di 3,2. Il limite di3,5 implicherebbe una brusca variazionedelle proprietà dell'universo. Una dellespiegazioni più semplici è che i quasar sisiano formati improvvisamente circa 15miliardi di anni fa, un evento senza dub-bio considerevole nell'evoluzione dell'u-niverso. In alternativa, potrebbe esserciuno schermo assorbente di polvere o diqualche altro tipo di materiale in corri-spondenza di uno spostamento verso il

rosso di 3,5 capace di impedire l'osserva-zione dei quasar più lontani. Sarebbeestremamente notevole anche il fatto chel'universo fosse trasparente da una partedel limite e opaco dall'altra. In entrambi icasi è probabile che ulteriori ricerche sul-l'argomento conducano a importanti ri-sultati nei prossimi anni.

Finora mi sono occupato soltanto della

distribuzione radiale dei quasar, che èil punto di vista storico lungo il quale si èsviluppato il loro studio. Ora che gliesemplari di quasar di Cerro Tololo sonostati completamente analizzati, la basedei dati relativi a grandi spostamenti ver-so il rosso è sufficiente per potersi occu-pare della distribuzione tridimensionaledei quasar. Combinando gli spostamentiverso il rosso con le posizioni dei quasarnel cielo si può costruire un quadro tridi-mensionale dei quasar nello spazio. Que-ste sono le sole informazioni disponibilisu come era la struttura dell'universo da13 a 15 miliardi di anni fa. La distribuzio-ne tridimensionale può anche fornireimportanti informazioni sulla natura deiquasar stessi.

Se si osserva la distribuzione delle ga-lassie in fotografie che riprendono grandiregioni del cielo, appare evidente che legalassie sono tutt'altro che uniformemen-te distribuite. Esse appaiono in coppie, inpiccoli gruppi, in gruppi più grandi e ingrandi ammassi. Spesso vi sono regionivuote con poche galassie o addiritturanessuna. Lo studio della distribuzionegalattica è fondamentale per le teorie sul-la formazione delle galassie. I dati at-tualmente disponibili indicano che neiprimissimi stadi dell'universo la materiaera uniformemente distribuita in formagassosa. Come poterono, dunque, origi-narsi le condensazioni dalle quali si for-marono in seguito nel corso dell'espan-sione dell'universo le stelle, le galassie egli ammassi di galassie?

Una volta apparsa una condensazionecon autogravità sufficiente a opporsi al-l'espansione dell'universo, si possonoimmaginare vari momenti nei quali essapotrebbe collassare sotto l'azione del suostesso peso, formando una stella o addirit-tura un'intera galassia di stelle. La mag-gior parte dei calcoli dimostra che unavolta che un corpo gassoso ha iniziato ilcollasso la caduta di materia verso il cen-tro è immediata e porta a un rapido au-mento della densità. Se il gas che cadeverso il centro è di dimensioni galattiche,è facile immaginare che un collasso dimateria in fuga potrebbe creare un quasarnel centro della galassia come processodell'evoluzione della galassia. E questauna possibile correlazione tra i quasar e laformazione delle galassie. Un'altra possi-bilità è che i quasar siano per loro naturasufficientemente potenti da influenzareprocessi di formazione su una scala deci-samente maggiore di quella di una singolagalassia. In tal caso la distribuzione deiquasar potrebbe essere diversa dalla di-stribuzione delle galassie, che possiamoosservare soltanto in un tempo molto ri-tardato dell'espansione dell'universo.

Per ricavare una prima impressione sul-la distribuzione dei quasar analizziamo idati di Cerro Tololo sotto diversi aspettirappresentativi. La regione del cielo ana-lizzata nelle esplorazioni di Cerro Tololocopre una banda compresa tra 37,5 e 42,5gradi di latitudine celeste sud che si e-stende per un quarto della sfera celeste(si veda l'illustrazione in basso in questapagina). La banda è stata ripresa in unasequenza di circa 15 lastre leggermentesovrapposte eseguite con il telescopioCurtis Schmidt, ciascuna delle quali co-priva un campo di cinque gradi di lato.(Le due stelle all'estremità del Gran Car-ro che individuano la direzione dellaStella Polare hanno all'incirca la stessadistanza angolare.) Il grande riflettore daquattro metri eseguì esposizioni in pro-fondità in sette piccole regioni, ciascunadi circa un grado quadrato, all'internodell'ampia banda fotografata con il Cur-tis Schmidt. In realtà il telescopio daquattro metri campionò lunghi e sottilitunnel dello spazio.

Il rilevamento effettuato con il CurtisSchmidt rivelò 88 quasar con spostamentiverso il rosso maggiori o uguali a 1,88. In

Il rilevamento eseguito con il telescopio Curtis Schmidt individuò 88quasar con uno spostamento verso il rosso maggiore di 1,8. Dato che glispostamenti verso il rosso sono correlati alla distanza, gli 88 oggetti sipossono rappresentare graficamente come se fossero distribuiti in unvolume di spazio tridimensionale. I puntini in nero nella parte anterioredel diagramma indicano la posizione dei quasar nel cielo, mentre ipuntini in colore sulla superficie superiore mostrano lo spostamento

Il rilevamento eseguito con il telescopio da quattro metri ha individuato53 quasar con uno spostamento verso il rosso maggiore di 1,8, tra i qualisei quasar già scoperti nell'esplorazione con il telescopio CurtisSchmidt. Qui le sette piccole zone esplorate con il grande telescopio so-no state arbitrariamente dilatate in forma di cunei di volume uniforme.I puntini in nero sulla faccia anteriore dei cunei mantengono comunque

verso il rosso corrispondente a ciascun quasar. Lo schema di rappresen-tazione grafica è indicato dalle linee tratteggiate che collegano il quasarall'estrema destra con il suo spostamento verso il rosso di 3,16 e ilquasar all'estrema sinistra con il suo spostamento verso il rosso di 1,96.Per chiarezza sono state omesse altre linee di collegamento. La dimen-sione verticale della regione esplorata è stata ingrandita di un fattoredue rispetto a quella orizzontale per evidenziare la distanza tra i quasar.

la esatta posizione di ogni quasar all'interno della propria area di esplo-razione. Sono evidenti alcune coppie e piccoli gruppi di quasar con spo-stamenti verso il rosso simili. Per esempio, nella zona f, sono raggrup-pati vicino a uno spostamento verso il rosso di 1,84 quattro quasar auna distanza di circa 12 miliardi di anni luce. Sono tutti contenutiall'interno di un volume esteso per non più di 200 milioni di anni luce.

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La distribuzione dei quasar secondo il loro spostamento verso il rossoindica che circa i tre quarti dei quasar nelle due esplorazioni di CerroTololo hanno spostamenti verso il rosso compresi tra 1,8 e 2,4. La di-stribuzione degli 88 quasar dell'esplorazione Curtis Schmidt è rappre-sentata a sinistra, mentre quella dei 53 quasar rilevati nell'esplorazionecon il telescopio da quattro metri è rappresentata a destra. L'esplora-

zione Curtis Schmidt ha individuato un quasar per ogni quattro gradiquadrati di cielo. L'esplorazione con il telescopio da quattro metri,capace di rilevare oggetti più deboli, ha individuato poco più di 10quasar per grado quadrato esplorato. 1 quasar rilevati nell'esplorazionecon il telescopio da quattro metri, pur essendo in genere meno lumi-nosi di quelli dell'esplorazione Curtis Schmidt, non erano più lontani.

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1-11,8— 2,0— 2.6— 2,4— 2,2— 2,8— 3,0— 3.2- -3.41.99 2.19 2,79 2.59 2.39 2,99 3,19 3,39

1.8— 2.0— 2,2—1,99 2.19 2.39 2.59

2,6— 2,8— 3,0— 3,2—2,79 2,99 3,19 3.39

INTERVALLO DI SPOSTAMENTI VERSO IL ROSSO INTERVALLO DI SPOSTAMENTI VERSO IL ROSSO

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una regione del cielo molto meno estesa ilrilevamento con il telescopio da quattrometri identificò 53 quasar con spostamen-ti analoghi verso il rosso, tra i quali seiscoperti anche nel rilevamento effettuatocon il telescopio Schmidt. (Un piccolonumero dei quasar più luminosi identifi-cati in entrambe le ricerche è stato scoper-to prima da altri astronomi.) Il rilevamen-to Curtis Schmidt evidenziò un quasarcon grande spostamento verso il rosso al-l'incirca ogni quattro gradi quadrati di cie-lo; il rilevamento con il telescopio daquattro metri rivelò all'incirca un numerodi quasar 40 volte superiore per unità disuperficie esplorata, pari a circa 10 quasarcon grande spostamento verso il rossoogni grado quadrato.

La spiegazione della maggiore fre-quenza di scoperte effettuate con il siste-ma da quattro metri va ricercata ovvia-mente nel fatto che esso poteva rivelareoggetti molto più deboli. Il rilevamentocon il telescopio da quattro metri fino auna grandezza limite di 21, rivelandoquindi oggetti di circa 1,5 grandezze, os-sia quattro volte, più deboli di quelli chepotevano essere registrati con il piccolotelescopio Schmidt. Anche se i quasar

scoperti con il rilevamento con il telesco-pio da quattro metri sono generalmentepiù deboli non mostrano generalmentemaggiori spostamenti verso il rosso. Lamaggior parte dei 135 quasar dei due rile-vamenti mostrano spostamenti verso ilrosso prossimi a 2. Ciò era previsto siaperché il metodo di ricerca favorisce lascoperta di tali quasar sia perché i quasarcon tali spostamenti verso il rosso sonochiaramente i più abbondanti. 1135 qua-sar esaminati a Cerro Tololo costituisco-no circa la quarta parte di tutti i quasarscoperti finora con spostamento verso ilrosso superiore a 1,8.

Per dare un'idea della effettiva distri-buzione dei quasar nello spazio, ho rap-presentato graficamente gli 88 quasar delrilevamento Schmidt su un solido tridi-mensionale a forma di torta (si veda l'illu-strazione in alto nella pagina precedente).La faccia frontale del solido è un arco chelocalizza gli 88 quasar secondo la declina-zione, o latitudine, e l'ascensione retta(l'equivalente astronomico della longitu-dine, che suddivide la sfera celeste in 24spicchi, ciascuno largo 15 gradi). Lo spo-stamento verso il rosso di ciascun quasar èrappresentato radialmente nella parte

superiore del solido su una scala che va dauno spostamento verso il rosso di 1,8, auno spostamento verso il rosso di 3,5.

Questa rappresentazione grafica rivelache in una regione compresa tra le due e lequattro ore di ascensione retta i quasarappaiono più rari di quanto lo siano altro-ve. Se la scarsità riflette una reale disuni-formità dei quasar in quella parte dellospazio, si tratterebbe di un fatto sorpren-dente. Per tale motivo i miei colleghi e iopreferiamo pensare per ora che l'apparen-te scarsità sia dovuta a un effetto selettivonel processo di esplorazione. Se guardia-mo la distribuzione dei quasar su piccolascala, si possono vedere casi nei quali cop-pie e piccoli gruppi di quasar sono moltovicini tra loro. Il raggruppamento più evi-dente si manifesta quando si rappresenta-no graficamente in un analogo modo tri-dimensionale i quasar rilevati con il tele-scopio da quattro metri (si veda l'illustra-zione in basso nella pagina precedente). Ungruppo di quattro quasar con spostamentiverso il rosso compresi tra 1,83 e 1,86 èammassato in una regione non più ampiadi 200 milioni di anni luce nei pressi delpunto con ascensione retta di zero ore.

Questi raggruppamenti sono interes-

santi perché sono all'incirca delle stessedimensioni dei superammassi di galassiedistribuiti qua e là nello spazio circostan-te. I superammassi sono regioni con dia-metro di circa 300 milioni di anni luce, lequali ospitano numerosi ammassi di ga-lassie. Si tratta delle più grandi struttureconosciute dell'universo. Finora non sisono mai osservati superammassi conspostamenti verso il rosso che raggiunga-no il valore 2. Il gruppo di quasar conspostamenti verso il rosso attorno a 1,84potrebbe mascherare l'esistenza di unlontanissimo superammasso? Forse saràin grado di dircelo lo Space Telescope.

Considerata l'importanza dell'analisivisiva dei dati, la questione della di-

stribuzione dei quasar finisce con l'impor-re un'analisi statistica. Esiste uno schemafondamentale di distribuzione? I rag-gruppamenti osservati sono semplice-mente fluttuazioni casuali? Dopo tutto, sespargiamo sul pavimento dei chicchi diriso, alcuni cadranno più vicini della di-stanza media tra i chicchi. Negli ultimianni sono state messe a punto potenti tec-niche statistiche da applicare ai rileva-menti galattici per indagare proprio su taliquestioni. Con le opportune modificheche tengano conto dei grandi spostamentiverso il rosso e degli effetti selettivi delmetodo di rilevamento, queste tecniche sipossono applicare anche ai quasar.

L'obiettivo fondamentale è quello discoprire se i quasar presentano qualchescostamento da una distribuzione uni-forme e casuale. Se è così, si vorrebbesapere se i quasar si ammassano e qualeforma assumono gli ammassi. In alterna-tiva, si potrebbe scoprire che i quasarsono contrari alla formazione di ammassie si trovano più lontani del previsto. Sa-rebbe così se la presenza di un quasar inun dato luogo dovesse impedire la forma-zione di altri quasar nelle vicinanze. Laformulazione matematica di tali possibili-tà e le verifiche per evidenziarle non ciriguardano necessariamente in questasede, ma le principali possibilità condu-cono esse stesse a una rappresentazionegrafica bidimensionale. Sia una forte ten-denza ad ammassarsi sia una forte ten-denza opposta sono riconoscibili a primavista. Quando, però, entrambe le tenden-ze sono deboli, è difficile distinguere ladistribuzione da una distribuzione effetti-vamente uniforme e casuale (si veda l'illu-strazione nella pagina successiva).

Posso riassumere i risultati ottenutifinora dalle esplorazioni di Cerro Tololodicendo che l'analisi statistica è coerentecon l'esistenza di una distribuzione deiquasar uniforme e casuale. Le coppie e igruppi visibili a occhio non sono eviden-temente altro che fluttuazioni casuali. Peri più di 30 quasar con spostamenti verso ilrosso compreso tra 1,8 e 2,2 nel campioneosservato con il telescopio da quattrometri, la minima distanza media è di 400milioni di anni luce, ben al di sotto dellimite previsto per una distribuzione ca-suale. Per i quasar con spostamenti versoil rosso maggiori, per i quali le distanzemedie si misurano in miliardi di anni luce,

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si possono trarre analoghe conclusioni.Questi risultati parlano a favore dell'ipo-tesi, generalmente sostenuta ma difficileda confermare, che su grande scala l'uni-verso sia omogeneo. Tale ipotesi è unrequisito fondamentale per gli attualimodelli dell'universo.

Benché convincenti questi risultaticostituiscono soltanto il primo passo di

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una ricerca continua che è probabile pro-gredisca rapidamente quando verrannoscoperti altri quasar. Se si estrapolal'ammassarsi delle galassie osservato al-l'epoca e alla scala coperta nel rilevamen-to dei quasar, si può dimostrare chel'ammassarsi delle galassie non si dovreb-be poter rilevare nei campioni esistenti.Sarà interessante vedere se lo Space Tele-

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scope potrà migliorare la sensibilità delleverifiche della distribuzione fino al puntodi poter rivelare l'ammassarsi delle galas-sie. La previsione è che esistano ammassidi galassie a uno spostamento verso il ros-so pari a 2, ma che essi risaltino sul fondodi materia più densa in tale epoca conminor evidenza di quanto avvenga per gliammassi con minori spostamenti verso ilrosso osservati in un'epoca successiva inun universo molto più espanso e quindimeno denso. Al tempo stesso non si pos-sono ignorare le coppie e i gruppi di qua-sar che appaiono evidenti nell'esplora-zione fatta con il telescopio da quattrometri. Dopo tutto, una teoria della for-mazione delle galassie postula che esseabbiano avuto origine da fluttuazioni ca-suali di densità avvenute nell'universoprimitivo. I raggruppamenti di quasarpotrebbero rappresentare regioni analo-ghe di densità intensificata.

Jn seguito ai risultati ottenuti a Cerro Tololo si può ora tentare di descrivere

a cosa rassomigliava l'universo nel pe-riodo compreso tra 12 e 15 miliardi dianni fa. Supponiamo che la nostra galas-sia, la Via Lattea, si trovasse all'internodel gruppo di quattro quasar che, con glistrumenti attuali, mostrano uno sposta-mento verso il rosso di circa 1,85. Sup-ponendo che la vita umana si sia evolutafin dall'inizio dell'universo, che cosa ve-dremmo di notte? Prima di tutto, la stes-sa Via Lattea dovrebbe essere molto piùluminosa di quanto lo sia oggi, perchésarebbe costituita da una popolazionepiù numerosa di stelle calde e giovani. Iquattro quasar del gruppo dovrebberoessere chiaramente visibili a occhio nudocome stelle luminose; infatti, si potreb-bero vedere senza telescopio anche qua-sar esterni al gruppo distanti fino a 300milioni di anni luce. Ovviamente i quasarsarebbero stati scoperti e consideratifenomeni strani all'inizio della storia del-l'astronomia. Se poi essi siano o meno ilnucleo luminoso di galassie si sarebbeaccertato soltanto con l'avvento dei tele-scopi.

È bene ricordare che, per quanto plau-sibile possa essere la nostra attuale cono-scenza sui quasar, esiste qualche probabi-lità che essa possa essere del tutto errata euna buona probabilità che essa sia erratain qualche importante particolare. Alcuniastronomi dubitano che i quasar siano di-stanti come i loro spostamenti verso ilrosso indicano. Altri mettono in dubbio larealtà dell'elevata densità di quasar conspostamenti verso il rosso elevati e pro-pongono che o i quasar fossero o più lu-minosi fin dall'inizio o che la loro intensi-tà sia aumentata a causa del passaggiodella loro radiazione nelle vicinanze digalassie che si trovano in mezzo e cheagiscono come lenti gravitazionali. Ra-ramente, se mai è accaduto, un grandecorpo di dati viene raccolto e subito spie-gato di colpo da una suggestiva teoria. Ecosì è probabile che accada per i quasar.L'argomento sarebbe ben più poverosenza le attuali ipotesi, per quanto audaciesse possano essere.

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Il quadro della distribuzione dei quasar viene analizzato perché esso potrebbe portare a una piùcompleta conoscenza della formazione delle galassie nel primo universo. I sei schemi mostrati inquesta illustrazione sono analoghi bidimensionali di varie distribuzioni possibili. Se i quasar sonofortemente ammassati (a) o se hanno invece una forte tendenza contraria all'ammasso (b), la cosadovrebbe essere ben evidente. Se mostrano solo una debole tendenza ad ammassarsi (c) o una de-bole tendenza opposta (d), potrebbero essere necessarie approfondite verifiche statistiche per di-mostrare che le distribuzioni non sono uniformi e casuali. Due simulazioni al calcolatore didistribuzioni uniformi e casuali (eM mostrano che l'occhio non è un giudice attendibile di casualità.

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