PLASMA D’ELETTRONI E POSITRONI AD ALTA ENERGIA

Quel microquasar spara antimateria

Un team internazionale di ricercatori ha condotto osservazioni alle alte energie del microquasar V404 Cygni durante il suo recente picco di attività. I dati, pubblicati su Nature, mostrano un chiaro eccesso d'emissione oltre i 500 mila elettronvolt. Con un commento di Pietro Ubertini (INAF IAPS Roma)

Rappresentazione artistica di un microquasar con un buco nero che accresce materia da una stella compagna dando vita a un disco e un getto. Crediti: NASA/ESA

Rappresentazione artistica di un microquasar con un buco nero che accresce materia da una stella compagna dando vita a un disco e un getto. Crediti: NASA/ESA

Un team internazionale di ricercatori è riuscito a osservare, per la prima volta con chiarezza inequivocabile, la presenza di plasma di elettroni e positroni nei getti emessi da V404 Cygni, uno dei più noti e attivi microquasar della nostra galassia.

I microquasar sono buchi neri di massa stellare che accumulano materia strappandola a una stella compagna. In genere, durante questo processo, emettono getti di plasma e li sparano a velocità prossime a quella della luce. Sono gli analoghi di piccola taglia dei quasar, che contengono buchi neri con masse che possono arrivare fino a centinaia di milioni di soli.

«Questa osservazione è molto importante», spiega a Media INAF Pietro Ubertini, direttore dell’Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali dell’INAF di Roma, al quale abbiamo chiesto un commento, «perché mostra come sia possibile avere materia e antimateria che si trasforma completamente in energia pura in un sistema galattico, non molto diverso dal nostro, che al posto dei pianeti ha un buco nero 9 volte più massiccio della stella che gli ruota intorno, gemella del nostro Sole».

Durante il suo accrescimento di materia il microquasar può rilasciare un getto improvviso, diventando molto brillante in breve tempo nella banda delle alte energie (raggi X e gamma). Come vengano prodotti ed emessi questi getti non è ancora chiaro, così come conosciamo poco la loro composizione. Ciò che sappiamo è che nello spettro di emissione di queste sorgenti ci aspettiamo di osservare un picco di emissione oltre i 500 mila eV (elettronvolt), poiché questo confermerebbe la teoria secondo cui il plasma emesso dal sistema contiene coppie di elettroni e positroni: vale a dire, materia e antimateria. In passato, in un paio di occasioni, sono state osservate delle caratteristiche spettrali transitorie nelle alte energie, ma la loro posizione non era identificabile con precisione.

Due componenti dell’emissione ad alta energia provenienti da V404 vengono rappresentati al passare del tempo, tra il 17 e il 31 giugno 2015. In alto sono indicate le orbite del telescopio INTEGRAL e in basso il numero di giorni a partire dal 9 dicembre 2014, in grigio sono indicate le epoche in cui non sono state effettuate osservazioni. Con l’istogramma in nero viene mostrato il flusso di fotoni raccolti nella banda da 100 a 200 mila eV, mentre i punti in rosso rappresentano il flusso dei fotoni dovuto all’eccesso oltre i 500 mila eV mediato ogni 6 ore di osservazioni. Crediti: Siegert et al. 2016 Nature

Due componenti dell’emissione ad alta energia provenienti da V404 vengono rappresentati al passare del tempo, tra il 17 e il 31 giugno 2015. In alto sono indicate le orbite del telescopio INTEGRAL e in basso il numero di giorni a partire dal 9 dicembre 2014, in grigio sono indicate le epoche in cui non sono state effettuate osservazioni. In nero abbiamo il flusso di fotoni raccolti nella banda da 100 a 200 mila eV, mentre i punti in rosso rappresentano il flusso dei fotoni dovuto all’eccesso oltre i 500 mila eV mediato ogni 6 ore di osservazioni. Crediti: Siegert et al. 2016 Nature

«L’ipotesi che V404 fosse un “piccolo” quasar galattico era stata formulata pochi mesi fa da un gruppo di ricercatori dell’INAF, guidati da Lorenzo Natalucci», aggiunge Ubertini. «La presenza contemporanea di emissione di alta energia e della riga a 511 mila eV è la prova finale dell’esistenza di un potente getto a velocità della luce che contiene elettroni e positroni è che esistono microquasar attivi nella nostra galassia».

V404 Cygni è un microquasar famoso per le sue eruzioni particolarmente intense. Si tratta di un sistema binario composto da buco nero con una massa pari a 9 volte quella del Sole e una compagna poco più piccola del Sole che orbitano una attorno all’altra in 6.5 giorni e si trovano a una distanza relativamente breve da noi: circa 8.000 anni luce.

Grazie a un lavoro recente, guidato da ricercatori del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics di Garching, in Germania, è stato possibile studiare nel dettaglio il recente picco di attività di V404 Cygni (di cui avevamo già parlato sulle pagine di Media INAF) nella banda dei raggi gamma. Gli scienziati sono riusciti a monitorare la sorgente tra il 17 e il 31 giugno 2015 utilizzando il telescopio satellitare INTEGRAL e lo spettro di emissione estratto dai dati mostra un eccesso di oltre i 500 mila eV. I dati sono stati raccolti in tre epoche differenti, della durata di circa tre giorni ciascuna. Una serie di simulazioni teoriche dimostrano che l’eccesso osservato non può provenire né dal disco di accrescimento né dalla corona, ma può essere spiegata soltanto dalla produzione di coppie elettrone-positrone. Queste coppie vengono create in prossimità di un buco nero durante le fasi di accrescimento intenso per poi annichilarsi, sempre nei dintorni della singolarità, emettendo una firma caratteristica: un eccesso oltre i 500 mila eV. Questo risultato sembra dunque confermare, per la prima volta in maniera inequivocabile, la presenza di plasma di elettroni e positroni nei getti emessi dal microquasar.

Spettri alle alte energie in tre epoche differenti (a-c corrispondono alle epoche 1-3 nell’immagine precedente). I dati (in blu) vengono modellati da una componente termica (curva grigia tratteggiata) e una componente dovuta a plasma caldo relativistico in annichilazione (curva rossa tratteggiata). Crediti: Siegert et al. 2016 Nature

Spettri alle alte energie in tre epoche differenti (a-c corrispondono alle epoche 1-3 nell’immagine precedente). I dati (in blu) vengono modellati da una componente termica (curva grigia tratteggiata) e una componente dovuta a plasma caldo relativistico in annichilazione (curva rossa tratteggiata). Crediti: Siegert et al. 2016 Nature

«Quando il lampo ad alte energie emesso da V404 Cygni ha cominciato ad attenuarsi, anche il segnale di annichilazione delle particelle è svanito», spiega Thomas Siegert, primo autore dell’articolo e ricercatore presso il Max Planck di Garching. «Questa misura ci fornisce informazioni sulla regione interna del disco di accrescimento e sui processi che avvengono nelle immediate vicinanze del buco nero. La nostra analisi collega il processo di produzione di coppie elettrone-positrone al flusso di plasma osservato poi nei getti radio e nei lobi, che si trovano molto lontano dal microquasar».

Questo risultato conferma anche l’ipotesi secondo cui l’emissione diffusa osservata verso il rigonfiamento (bulge) centrale della nostra galassia sarebbe dovuta proprio ai getti dei microquasar. Considerando il tasso di attività di V404 Cygni, occorrerebbe una popolazione da un migliaio a una decina di migliaia di sistemi binari con buchi neri in accrescimento per giustificare l’emissione galattica, e il numero di sorgenti corrisponde esattamente alle stime teoriche per questo tipo di sistemi.

«Il telescopio ad alta energia IBIS, a bordo di INTEGRAL, osserva da anni il centro della nostra galassia alla ricerca di questi microquasar “dormienti” che, secondo i ricercatori del Max Planck di Garching, potrebbero essere all’origine dell’emissione rivelata dal centro della nostra galassia, ma V404 è il primo da cui è stata rivelata l’emissione a 511KeV» conclude Ubertini.

Per saperne di più: