Per la prima volta gli astronomi sono riusciti a ricostruire la struttura del campo magnetico che attraversa un intero ammasso di galassie, dal cuore fino alle regioni più periferiche. Il risultato, frutto delle osservazioni radio più profonde mai realizzate con il radiotelescopio europeo LOFAR (LOw Frequency ARray), apre una nuova finestra sul ruolo dei campi magnetici nella formazione delle più grandi strutture dell’Universo. Lo studio, accettato per la pubblicazione sulla rivista Astronomy & Astrophysics e guidato dall’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), ha analizzato l’ammasso di galassie Abell 2255 attraverso un’innovativa tecnica di elaborazione delle immagini radio. I risultati indicano che i campi magnetici su scale cosmiche non sarebbero distribuiti in modo casuale, ma potrebbero essere modellati dai complessi movimenti del gas che accompagnano la nascita e l’evoluzione degli ammassi.
Capire l’origine e la trasformazione dei campi magnetici cosmici rappresenta una delle grandi sfide dell’astrofisica contemporanea. Queste strutture invisibili, infatti, esercitano un’influenza fondamentale sulla dinamica del gas caldo presente negli ammassi di galassie e contribuiscono a determinare l’evoluzione delle più grandi strutture conosciute dell’Universo.
Abell 2255, un laboratorio cosmico alle onde radio
Situato a circa un miliardo di anni luce dalla Terra, Abell 2255 è uno degli ammassi di galassie più interessanti per lo studio dell’Universo nella banda radio. Con un’estensione di diversi milioni di anni luce, questo gigantesco sistema cosmico è caratterizzato da una straordinaria complessità: oltre a ospitare numerose radiogalassie, presenta un’ampia emissione radio diffusa generata dall’interazione tra particelle relativistiche — elettroni che viaggiano a velocità prossime a quella della luce — e i campi magnetici immersi nel gas caldo dell’ammasso. Questa emissione costituisce una sorta di “traccia luminosa” dei processi fisici che avvengono su scale enormi, permettendo agli scienziati di indagare fenomeni altrimenti impossibili da osservare direttamente.
Oltre 330 ore di osservazioni per il ritratto radio più profondo mai realizzato
Il nuovo risultato nasce nell’ambito del progetto LOFAR Galaxy Cluster Ultra-Deep Field, una collaborazione internazionale che coinvolge ricercatrici e ricercatori dell’INAF e numerosi istituti europei e statunitensi. Il progetto rappresenta il passo successivo rispetto al precedente LOFAR Galaxy Cluster Deep Field, pubblicato nel 2022, quando Abell 2255 era stato osservato per circa 72 ore nella banda di frequenze compresa tra 120 e 168 MHz, corrispondenti a lunghezze d’onda di circa due metri.
Negli anni successivi il tempo di osservazione è stato portato a oltre 330 ore, trasformando Abell 2255 nell’ammasso di galassie osservato più in profondità nella storia dell’astronomia radio. Dopo un’attenta selezione dei dati più affidabili, il gruppo di ricerca ha utilizzato 224 ore di osservazioni di altissima qualità, ottenendo immagini caratterizzate da una sensibilità e una risoluzione che anticipano le prestazioni previste per gli strumenti radio del futuro.
Un passo verso la nuova era dell’astronomia radio
Le immagini ottenute con LOFAR raggiungono livelli di dettaglio e sensibilità già confrontabili con quelli che diventeranno standard con SKA-Low, la componente a basse frequenze del futuro radiotelescopio internazionale SKA, attualmente in costruzione in Australia. LOFAR, con il suo intervallo operativo compreso tra 10 e 240 MHz, rappresenta uno dei principali precursori di questa nuova generazione di strumenti, capaci di osservare l’Universo a bassa frequenza con una precisione senza precedenti. La ricostruzione del campo magnetico di Abell 2255 segna così un importante traguardo: per la prima volta è possibile osservare come queste strutture invisibili si distribuiscano all’interno di un intero ammasso di galassie, offrendo nuovi indizi sui processi che hanno plasmato l’Universo su scala più grande.
Una nuova tecnica di analisi
“Ottenere immagini degli ammassi di galassie molto sensibili in banda radio è fondamentale per comprendere come gli elettroni vengono accelerati a velocità relativistiche e i campi magnetici amplificati su grandi scale cosmiche”, afferma Andrea Botteon, ricercatore INAF e primo autore dello studio. “La complessità di questi studi è dovuta all’elusività del segnale radio proveniente dagli elettroni che si muovono in campi magnetici molto deboli. Riteniamo che il meccanismo che “accende” queste gigantesche emissioni radio sia legato al processo di formazione degli ammassi di galassie. In questo studio, abbiamo combinato le osservazioni radio più profonde mai realizzate finora con un’innovativa tecnica di analisi dei dati che ci ha permesso di ricostruire per la prima volta la topologia del campo magnetico di un ammasso di galassie. La coerenza delle linee di campo magnetiche osservata in alcune regioni dell’ammasso ci suggerisce che la morfologia del campo sia intimamente legata alla dinamica del gas in cui risiede, dove può essere ‘stirato’ o “compresso” dai moti legati alla formazione dell’ammasso stesso”, conclude Botteon.
L’eccezionale qualità di questo patrimonio di osservazioni ha reso possibile applicare una nuova tecnica di analisi che ricava direttamente la direzione del campo magnetico dalla morfologia dell’emissione radio osservata da LOFAR, anziché dalla misura della rotazione di Faraday, una tecnica consolidata ma che presenta importanti limitazioni alle basse frequenze radio.
Grazie al nuovo approccio è stato possibile mappare, per la prima volta, la geometria del campo magnetico di un intero ammasso di galassie, dal nucleo fino ai suoi confini gravitazionali, nel caso di Abell 2255 su un’estensione di oltre 13 milioni di anni luce.
Non è un caso
L’analisi mostra che il campo magnetico su larga scala non è orientato in modo casuale. In alcune regioni segue direzioni ben precise: lungo le estensioni dell’emissione radio appare prevalentemente allungato in direzione radiale, mentre nelle regioni in cui sono presenti onde d’urto cosmiche assume orientazioni tangenziali. Secondo gli autori, questa è la prima evidenza osservativa che la topologia del campo magnetico sia modellata dalla complessa dinamica di accrescimento che determina la crescita delle grandi strutture cosmiche e dei moti del gas durante il processo di formazione degli ammassi di galassie. Il confronto con sofisticate simulazioni cosmologiche conferma questa interpretazione.
La sfida tecnologica
Dietro queste immagini si nasconde anche un’importante sfida tecnologica. Il progetto ha richiesto circa tre anni di lavoro e l’elaborazione di quasi 200 terabyte di dati grezzi, processati interamente sull’infrastruttura italiana dedicata all’analisi dei dati LOFAR, utilizzando sistemi di calcolo ad alte prestazioni (HPC) dell’INAF tra Bologna e Trieste.
La mole di dati era tale che, al ritmo di trasferimento iniziale, il solo download avrebbe richiesto quasi un anno. Si tratta di un esempio concreto di come le moderne infrastrutture computazionali siano ormai parte integrante della ricerca astronomica di frontiera e di come gli investimenti nelle infrastrutture di ricerca siano essenziali per affrontare le grandi sfide dell’astrofisica contemporanea.
”Questi studi aprono nuove prospettive — afferma Gianfranco Brunetti, Dirigente di ricerca INAF e Direttore dell’Istituto di Radioastronomia di Bologna — Per quanto ne sappiamo al momento, i dati mostrano un ottimo accordo con le previsioni teoriche ottenute dalle simulazioni numeriche con i supercomputer. In futuro potremo spingerci molto oltre. In questo campo di ricerca gli scienziati dell’INAF sono protagonisti: stiamo creando una comunità con grandi competenze, capace di sfruttare al meglio i dati dei futuri osservatori LOFAR 2.0 e SKA-Low, che saranno operativi tra pochi anni“.
Grazie a questa nuova generazione di radiotelescopi a bassa frequenza, quali SKA-Low e LOFAR 2.0, sarà possibile estendere questo tipo di analisi a molti altri ammassi di galassie, ricostruendo il ruolo dei campi magnetici nella formazione delle grandi strutture cosmiche con un livello di dettaglio finora irraggiungibile.