In astrofisica, leffetto Sunyaev-Zel'dovich o effetto SZ è un meccanismo che altera la radiazione cosmica di fondo (in inglese Cosmic Microwave Background o CMB), la radiazione elettromagnetica che è la traccia fossile del Big Bang, quando essa attraversa un gas caldo e ionizzato, che solitamente si trova all'interno di ammassi di galassie; gli elettroni all'interno del gas interagiscono con i fotoni della radiazione stessa, alterandone lo spettro.

Tale effetto, ipotizzato per la prima volta dai fisici sovietici Rašid Sjunjaev e Jakov Zel’dovič in una serie di articoli nel 1970, 1972 e 1980, si può manifestare in due modi: un effetto cosiddetto termico, dovuto all'energia cinetica degli elettroni, e uno cinematico, dovuto al moto del gas relativamente allo spazio.

Descrizione dettagliata L'effetto previsto da Sjunjaev e Zel’dovič comporta un'alterazione dello spettro della radiazione cosmica di fondo (CMB), il cui andamento base è quello dello spettro di un corpo nero alla temperatura di 2,725 K.

Tale alterazione dipende dall'interazione dei fotoni della CMB con gli elettroni del gas ionizzato, solitamente presente nello spazio all'interno di un ammasso galattico, e può avvenire nei due modi seguenti.

Effetto termico L'effetto termico è dovuto all'interazione dei fotoni della CMB con elettroni aventi energia molto superiore a quella dei fotoni, causando l'effetto Compton inverso per cui i fotoni acquistano maggiore energia, che equivale a un aumento medio della loro frequenza. Il risultato è che, rispetto al normale spettro della CMB, il numero di fotoni sotto una certa frequenza (attorno a 217,5 GHz) diminuisce e quello oltre tale frequenza aumenta.

L'effetto è molto evidente quando si osservano ammassi galattici, come RX J1347.5–1145 (si veda immagine in alto). Osservando l'ammasso a una frequenza inferiore a 217,5 Ghz, si nota un "buco" nel segnale.

Sjunjaev e Zel’dovič sono partiti da un'equazione, ricavata da Aleksandr Kompaneec del 1975,Equazione di Kompaneetsω: frequenza angolare dei fotoni (ω = 2πν); n(ω, t): numero di occupazione; σT: sezione d'urto Thomson; ne: densità elettronica; me: massa dell'elettrone; kB: costante di Boltzmann; Te: temperatura degli elettroni che permette di calcolare la variazione del numero di fotoni a una certa energia in funzione degli urti avvenuti con gli elettroni. Da qui giunsero alla variazione di temperatura dei fotoni rispetto al valore base :,dove è il parametro di Compton,Nel caso di ammasso perfettamente uniforme di spessore L, diventa che rappresenta il numero di urti moltiplicati per l'energia guadagnata da ciascuno di essi e quindi descrive l'intensità della distorsione, e Formula completa:

dove che descrive la forma della distorsione in funzione della frequenza . Partendo dall'intensità della radiazione della CMB , derivabile dall'equazione di Planck, ottennero la variazione di intensità con la formula;Nel caso dell'intensità di radiazione, va così espressa

dove .

è nulla per valori di attorno a 217,5 GHz si annulla per frequenza attorno a 217,5 Ghz, a prescindere dal valore di .

Nel grafico sopra, l'andamento di (in rosso) e la distorsione in funzione della frequenza (in blu), con un valore di esagerato a scopo illustrativo (0,15 a fronte di un valore reale dell'ordine di ~10-4 per un ammasso di galassie).

L'effetto termico consente di fornire numerose informazioni sugli ammassi che lo causano.

Effetto cinematico

l'effetto cinematico è invece dovuto alla velocità peculiare dell'ammasso galattico lungo la nostra visuale, rispetto al sistema di riferimento della CMB, che produce un effetto Doppler relativistico sui fotoni diffusi: dove con che è la sezione d'urto Thomson è la profondità ottica.

Quando l'ammasso si muove rispetto allo spazio, o meglio rispetto al fondo CMB, in modo opposto alla nostra visuale () la temperatura, cioè l'energia, diminuisce, creando uno spostamento verso il rosso del segnale, che equivale a uno spostamento verso sinistra dell'intera curva rossa nel grafico in alto a sinistra. Viceversa in caso di allontanamento.

Sfruttando l'effetto cinematico, uno studio del 2026 ha testato la compatibilità dei dati rispetto alle teorie gravitazionali modificate (MOND) e alla gravità newtoniana, ottenendo un buon accordo con la seconda.

Note

Altri progetti

Collegamenti esterni

Categoria:Cosmologia