Sguardo record sul cosmo: Lofar mappa il campo magnetico di Abell 2255 fino ai suoi confini

ROMA\ aise\ - Per la prima volta è stato possibile ricostruire la struttura del campo magnetico che permea un intero ammasso di galassie, dal nucleo fino alle regioni più esterne. Il risultato è stato ottenuto combinando le osservazioni radio più profonde mai effettuate con il radiotelescopio europeo LOFAR (LOw Frequency ARray) dell’ammasso di galassie Abell 2255, utilizzando un'innovativa tecnica di analisi delle immagini radio.
Lo studio, accettato per la pubblicazione sulla rivista Astronomy & Astrophysics e guidato dall'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), suggerisce che questi campi magnetici su larga scala non siano distribuiti casualmente, bensì modellati dai moti del gas durante la formazione dell'ammasso. Comprendere come questi campi magnetici si originino e si evolvano rappresenta una delle principali sfide dell'astrofisica moderna, poiché influenzano profondamente la dinamica del gas caldo negli ammassi di galassie e, più in generale, la formazione e l'evoluzione delle più grandi strutture dell'Universo.
Abell 2255 è un ammasso di galassie situato a circa un miliardo di anni luce dalla Terra, esteso per diversi milioni di anni luce ed è uno dei laboratori cosmici più interessanti per studiare l'Universo alle onde radio. Già noto per la straordinaria complessità della sua emissione radio, il sistema ospita non solo numerose radiogalassie, ma anche una vasta emissione diffusa prodotta dall'interazione tra elettroni che si muovono a velocità prossime a quella della luce e i campi magnetici che permeano il gas caldo dell'ammasso.
Il progetto LOFAR Galaxy Cluster Ultra-Deep Field, presentato in questo studio e frutto della collaborazione tra ricercatrici e ricercatori dell'INAF e numerosi istituti di ricerca europei e statunitensi, rappresenta l'evoluzione del precedente LOFAR Galaxy Cluster Deep Field, pubblicato nel 2022, in cui Abell 2255 era stato osservato originariamente per circa 72 ore nell'intervallo di frequenze compreso tra 120 e 168 MHz (corrispondenti a lunghezze d'onda di circa due metri). Negli ultimi anni, il tempo di integrazione su Abell 2255 è stato esteso a oltre 330 ore, realizzando il più profondo studio radio mai dedicato a un ammasso di galassie.
Dopo un rigoroso processo di selezione della qualità dei dati, il team ha utilizzato le migliori 224 ore di osservazione, ottenendo immagini radio con sensibilità e risoluzione già paragonabili a quelle che in futuro diventeranno di routine con SKA-Low, la componente del futuro radiotelescopio internazionale SKA dedicata alle basse frequenze (50–350 MHz), di cui LOFAR (10–240 MHz) costituisce uno dei principali precursori, attualmente in costruzione in Australia.
“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”, spiega 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.
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.
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”, rileva 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”. (aise)