MAPPATA L’EMISSIONE DAL POLO MAGNETICO DI UNA PULSAR

Inseguendo lo spin, con Einstein e pazienza

Un gruppo di ricerca guidato dal Max Planck Institute for Radio Astronomy ha utilizzato 14 anni di osservazioni radio della sorgente Psr J1906 + 0746 per misurare con una precisione senza precedenti la velocità con la quale cambia la direzione dello spin della stella di neutroni, trovando un eccellente accordo con le previsioni della teoria della relatività generale di Einstein. Tutti i dettagli su Science

Rappresentazione artistica della pulsar J1906 + 0746 (con il vettore di spin in colore rosso) che precessa attorno al vettore del momento angolare totale (vettore blu). Due fasci radio vengono emessi sopra i poli magnetici opposti della pulsar, lungo l’asse magnetico (freccia grigia). Mentre i raggi radio attraversano la nostra linea di vista, possiamo ricostruire le mappe di emissione dei fasci come mostrato dalle mappe circolari all’estremità dei due raggi. Crediti: Gregory Desvignes (MPIfR Bonn/Osservatorio di Parigi)

Le pulsar sono stelle di neutroni in rapida rotazione, con una massa che può superare del 40 per cento la massa del nostro Sole, concentrata in una piccola sfera di circa 20 km di diametro (contro i quasi 1.4 milioni di km di diametro del Sole). Sono caratterizzate da campi magnetici estremamente potenti che, insieme alla rapida rotazione, fanno sì che la stella emetta fasci di onde radio lungo il suo asse magnetico, sopra ciascuno dei poli magnetici opposti. La loro rotazione stabile genera un effetto faro, con segnali che arrivano sulla Terra a intervalli di tempo regolari, con una precisione pari a quella di un orologio atomico. La grande massa, la compattezza della sorgente e le proprietà simili a quelle di un orologio, consentono agli astronomi di usare questi oggetti celesti come veri e propri laboratori per testare la teoria della relatività generale di Einstein.

La teoria prevede che lo spazio-tempo sia curvato da oggetti come le pulsar. Una conseguenza attesa è l’effetto della precessione dello spin relativistico nelle pulsar binarie. L’effetto deriva da un disallineamento del vettore di spin di ciascuna pulsar rispetto al vettore del momento angolare totale del sistema binario, ed è causato molto probabilmente da un’esplosione asimmetrica di supernova. Questa precessione fa variare la geometria di visualizzazione, che può essere testata da un punto di vista osservativo monitorando i cambiamenti sistematici nel profilo degli impulsi osservati.

Le prove dell’esistenza di un profilo di un impulso variabile attribuibile ai cambiamenti nella geometria di visualizzazione, causati dalla precessione dello spin, sono state osservate e modellate nella pulsar binaria B1913+16, conosciuta anche come pulsar Hulse-Taylor dal nome dei suoi scopritori che, per questa scoperta, vinsero il premio Nobel per la fisica nel 1993. Anche altre pulsar binarie mostrano tale effetto, ma nessuna di esse ha mai permesso studi con una precisione e un livello di dettaglio paragonabili a quelli ottenuti con la Psr J1906+0746, la protagonista dell’articolo pubblicato oggi su Science.

Psr J1906+0746 è una giovane pulsar con un periodo di rotazione di 144 millisecondi che orbita in 4 ore attorno a un’altra stella di neutroni, in direzione della costellazione dell’Aquila, abbastanza vicino al piano della nostra Galassia. «La pulsar Psr J1906+0746 è un laboratorio unico nel quale possiamo contemporaneamente porre dei vincoli alla fisica delle emissioni radio delle pulsar e testare la teoria della relatività generale di Einstein», afferma Gregory Desvignes dell’Istituto Max Planck di Radio Astronomia (Mpifr) di Bonn, primo autore dello studio.

Il gruppo di ricerca ha monitorato la pulsar dal 2012 al 2018 con il radiotelescopio di Arecibo da 305 metri, a una frequenza di 1.4 GHz. Tali osservazioni sono state integrate con i dati di archivio dei radiotelescopi di Nançay e Arecibo, registrati tra il 2005 e il 2009. In totale, il set di dati disponibile comprende 47 epoche che vanno da luglio 2005 a giugno 2018. Il team ha notato che inizialmente era possibile osservare i poli magnetici opposti, puntati verso la Terra una volta per rotazione. Con il tempo, il raggio nord è scomparso e solo il raggio sud è rimasto visibile. Basandosi su studi della polarizzazione dell’emissione ricevuta, è stato possibile applicare un modello vecchio di 50 anni, prevedendo che le proprietà di polarizzazione codificassero le informazioni sulla geometria della pulsar. I dati hanno convalidato il modello e hanno anche permesso al team di misurare la velocità di precessione con solo il 5 per cento di incertezza, inferiore a quella associata alla misura della velocità di precessione nel sistema double pulsar (scoperto nel 2003 da un team guidato da Marta Burgay dell’Inaf di Cagliari), il sistema di riferimento per questi test impiegato finora. Il valore misurato concorda perfettamente con la previsione della teoria di Einstein.

«Le pulsar possono consentire di effettuare test sulla gravità che non si potrebbero effettuare in nessun altro modo», aggiunge Ingrid Stairs dell’Università della British Columbia, coautrice dello studio. «Questo è un altro bellissimo esempio di tali test». Inoltre, il team è stato in grado di prevedere la scomparsa e la ricomparsa del raggio nord e sud di Psr J1906 + 0746: il raggio sud scomparirà dalla linea di vista intorno al 2028 e riapparirà tra il 2070 e il 2090. Il raggio nord dovrebbe riapparire intorno al 2085–2105.

L’esperimento di 14 anni ha anche fornito una visione emozionante di come funzionano le pulsar stesse. Il team ha capito che la nostra linea di vista aveva attraversato il polo magnetico in direzione nord-sud, consentendo non solo di effettuare una mappa del fascio della pulsar, ma anche uno studio delle condizioni per l’emissione radio proprio sopra il polo magnetico. «È molto gratificante che, dopo diversi decenni, la nostra linea di vista stia attraversando per la prima volta un polo magnetico della pulsar, dimostrando la validità di un modello proposto nel 1969», spiega Kejia Lee del Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Università di Pechino, coautore dell’articolo. «Al contrario di quanto si pensava, la forma del fascio  è irregolare e inaspettata». La mappa del fascio radio rivela la sua vera estensione, che determina la porzione di cielo illuminata dal fascio stesso. Questo parametro influenza il numero previsto di sistemi binari di stelle di neutroni nella Galassia e quindi il rate di osservazione di onde gravitazionali generate da fusioni di stelle di neutroni.

«Per concludere l’esperimento ci è voluto molto tempo», conclude Michael Kramer, direttore del dipartimento Fundamental Physics in Radio Astronomy di MpifR. «Ai giorni nostri, purtroppo, i risultati devono essere spesso facili e veloci, mentre questa pulsar ci ha insegnato moltissimo. Essere stati pazienti e diligenti ha davvero ripagato».

Come ruota la stella di neutroni? Guarda il video di Gregory Desvignes (MPIfR Bonn / Paris Observatory):


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