SCOPERTA CON L’AIUTO DEI VOLONTARI DEL PROGETTO EINSTEIN@HOME

La strana coppia da record

Un gruppo di ricerca internazionale guidato dal Max Planck Institute for Gravitational Physics ha identificato una misteriosa sorgente di raggi gamma. Si tratta di un sistema binario da record: una pesante stella di neutroni con una compagna di massa molto bassa a solo 1.3 volte la distanza Terra-Luna, che le orbita attorno in 75 minuti, a una velocità di oltre 700 chilometri al secondo. Tutti i dettagli su ApJ Letters

     26/10/2020
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Impressione artistica di una stella di neutroni in rotazione (pulsar) di circa 20 chilometri di diametro, che accumula materiale da una stella compagna. La forte gravità della pulsar attrae materiale dal compagno. Crediti: Nasa/Dana Berry

Dopo più di due decenni, un gruppo di ricerca internazionale guidato dal Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, Aei) di Hannover ha identificato una misteriosa sorgente galattica di raggi gamma: una stella di neutroni eccezionalmente pesante con una compagna di massa molto bassa che le orbita attorno. Utilizzando nuovi metodi di analisi dati eseguiti su circa 10mila schede grafiche nell’ambito del progetto di calcolo distribuito Einstein@Home, il team ha identificato la stella di neutroni dalle sue regolari pulsazioni gamma, analizzando approfonditamente i dati del satellite Fermi della Nasa. Sorprendentemente, la stella di neutroni è completamente invisibile nelle onde radio. Il sistema binario, caratterizzato da una campagna di osservazione attraverso tutto lo spettro elettromagnetico, ha battuto diversi record. Vediamo quali.

«Il sistema stellare binario e la stella di neutroni al suo centro – ora nota come Psr J1653-0158 – stabiliscono nuovi record», spiega Lars Nieder, dottorando presso l’Aei di Hannover e primo autore dello studio pubblicato la scorsa settimana su Astrophysical Journal Letters. «Abbiamo scoperto la danza galattica di un super peso massimo con un peso mosca: con poco più del doppio della massa del Sole, la stella di neutroni è straordinariamente pesante. Il suo compagno ha circa sei volte la densità del piombo, ma solo l’1 percento circa della massa del nostro Sole. Questa strana coppia orbita ogni 75 minuti, più rapidamente di tutti i sistemi binari comparabili conosciuti».

La stella di neutroni ruota anche attorno al proprio asse a più di 30mila giri al minuto, e questo la rende la più veloce a oggi conosciuta. Nello stesso tempo, il suo campo magnetico – solitamente estremamente forte nelle stelle di neutroni – è eccezionalmente debole.

Illustrazione del sistema stellare binario con la pulsar J1653-0158 (in basso) rispetto al sistema Terra-Luna (in alto). Tutti gli oggetti e le orbite vengono mostrati in scala ad eccezione della pulsar, che è ingrandita 450 volte. Il sistema stellare binario, con un periodo orbitale di soli 75 minuti, è solo leggermente più grande del sistema Terra-Luna. Crediti: Knispel / Clark / Max Planck Institute for Gravitational Physics / Nasa

Questa coppia da record è stata scoperta grazie a due importanti passaggi.

Le osservazioni astronomiche del 2014 hanno permesso di determinare le proprietà delle orbite della stella binaria. «Che ci fosse una stella di neutroni dietro la sorgente di raggi gamma, conosciuta dal 1999, era già stato considerato come probabile dal 2009. Nel 2014, in seguito alle osservazioni del sistema con telescopi ottici e a raggi X, è diventato chiaro che si trattava di un sistema binario molto stretto. Ma tutte le ricerche condotte per individuare la stella di neutroni al suo interno erano state finora vane», afferma il Colin Clark del Jodrell Bank Center for Astrophysics, coautore dello studio.

Per dimostrare in modo inequivocabile l’esistenza di una stella di neutroni, è necessario rilevare non solo le sue onde radio o i raggi gamma, ma anche le sue pulsazioni caratteristiche. La rotazione della stella di neutroni provoca questo “lampeggio” regolare, simile a quello di un faro. Nel caso lo si trovi, la stella di neutroni viene chiamata rispettivamente pulsar radio o pulsar gamma. «In sistemi binari come quello che abbiamo scoperto ora, le pulsar sono conosciute anche come vedove nere perché, come i ragni con lo stesso nome, mangiano i loro compagni», spiega Clark, aggiungendo: «La pulsar vaporizza la sua compagna con la sua radiazione e un vento di particelle, riempiendo il sistema stellare di plasma, impenetrabile alle onde radio».

I raggi gamma, invece, non vengono fermati da queste nubi di plasma e il Large Area Telescope (Lat) a bordo del Fermi Gamma-ray Space Telescope della Nasa è stato in grado di rivelarli. Il team ha utilizzato i dati del 2014, ulteriori osservazioni con il telescopio William Herschel alla Palma e la posizione precisa del cielo determinata dal satellite Gaia, per focalizzare la potenza computazionale del progetto di calcolo distribuito volontario Einstein@Home sull’oggetto in questione.

I ricercatori hanno chiesto l’aiuto di decine di migliaia di volontari per cercare pulsazioni periodiche in circa un decennio di dati d’archivio del Fermi Lat. I volontari hanno donato cicli di calcolo inattivi sulle schede grafiche dei loro computer al progetto Einstein@Home e, in meno di due settimane, il team ha fatto una scoperta che avrebbe richiesto secoli di tempo di elaborazione su un computer convenzionale.

«Abbiamo trovato un sistema binario molto stretto. Al centro si trova la pulsar, che misura circa 20 chilometri e ha il doppio della massa del nostro Sole. Ciò che resta di una stella nana orbita attorno alla pulsar a solo 1.3 volte la distanza Terra-Luna in soli 75 minuti, a una velocità di oltre 700 chilometri al secondo», spiega Nieder. «Questo insolito duo potrebbe aver avuto origine da un sistema binario estremamente vicino, in cui la materia fluiva originariamente dalla stella compagna sulla stella di neutroni, aumentandone la massa e facendola ruotare sempre più velocemente, mentre contemporaneamente smorzava il suo campo magnetico».

Dopo aver identificato la pulsar a raggi gamma, il team ha utilizzato le nuove conoscenze acquisite e ha cercato di nuovo le sue onde radio. Ma non ne hanno trovato traccia, anche se hanno usato i radiotelescopi più grandi e sensibili del mondo. La Psr J1653-0158 diventa così la seconda pulsar in rapida rotazione da cui non si vedono provenire onde radio. Ci sono due possibili spiegazioni: o la pulsar non invia onde radio verso la Terra o, più probabilmente, la nube di plasma che avvolge il sistema stellare binario fa sì che nessuna onda radio riesca a raggiungere la Terra.

In una fase successiva, i ricercatori hanno cercato nei dati del primo e del secondo ciclo di osservazione dei rivelatori Advanced Ligo, per cercare possibili onde gravitazionali che la stella di neutroni emetterebbe se fosse leggermente deformata. Anche in questo caso, la ricerca non ha avuto successo.

«Nel catalogo delle sorgenti di raggi gamma trovate dal satellite Fermi, ce ne sono altre dozzine che scommetterei che contengono pulsar binarie», afferma Bruce Allen, Direttore del Max Planck Institute for Gravitational Physics di Hannover e Direttore e fondatore di Einstein@Home. «Ma finora nessuno è stato in grado di rilevare la pulsazione caratteristica dei loro raggi gamma. Con Einstein@Home speriamo di fare proprio questo: chissà quali altre sorprese ci aspettano».

L’intero cielo visto dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi e la nuova pulsar scoperta da Einstein@Home. Il campo sotto il riquadro ingrandito mostra il nome della pulsar e alcune delle sue caratteristiche misurate, così come le sue pulsazioni di raggi gamma. Le bandiere mostrano le nazionalità dei volontari i cui computer hanno trovato la pulsar. Crediti: Knispel / Max Planck Institute for Gravitational Physics / Nasa / Doe / Fermi Lat Collaboration

La scoperta è stata resa possibile da decine di migliaia di volontari di Einstein@Home che hanno donato il loro tempo di Cpu e Gpu al progetto. Senza di loro questo studio e questa scoperta non sarebbero stati possibili. Einstein@Home è un progetto distribuito su base volontaria che collega computer e smartphone di tutto il mondo. I volontari donano tempo di elaborazione sui propri dispositivi. Fino ad ora hanno contribuito più di 479mila volontari, rendendo Einstein@Home uno dei più grandi progetti di questo tipo. L’attuale potenza di calcolo aggregata fornita da circa 34mila computer di 22mila volontari attivi è di circa 5.7 petaFlops. Dal 2005, Einstein@Home ha compiuto le sue ricerche anche nei dati dei rilevatori di onde gravitazionali Ligo / Virgo, andando a caccia di onde gravitazionali continue da stelle di neutroni sconosciute e in rapida rotazione. A partire dal 2009, Einstein@Home è stato inoltre coinvolto nella ricerca di segnali da pulsar radio nei dati osservativi dell’Osservatorio di Arecibo a Porto Rico e dell’Osservatorio di Parkes in Australia. Dalla prima scoperta di una pulsar radio da parte di Einstein@Home nell’agosto 2010, la rete globale di computer ha scoperto 55 nuove pulsar radio. Nell’agosto 2011, è stata aggiunta la ricerca di pulsar a raggi gamma nei dati del satellite Fermi e, a oggi, Einstein@Home ha scoperto 25 nuove pulsar a raggi gamma.

Per saperne di più:

  • Leggi su Astrophysical Journal Letters l’articolo “Discovery of a Gamma-ray Black Widow Pulsar by GPU-accelerated Einstein@Home” di Nieder, C. J. Clark, D. Kandel, R. W. Romani, C. G. Bassa, B. Allen, A. Ashok, I. Cognard, H. Fehrmann, P. Freire, R. Karuppusamy, M. Kramer, D. Li, B. Machenschalk, Z. Pan, M. A. Papa, S. M. Ransom, P. S. Ray, J. Roy, P. Wang, J. Wu, C. Aulbert, E. D. Barr, B. Beheshtipour, O. Behnke, B. Bhattacharyya, R. P. Breton, F. Camilo, C. Choquet, V. S. Dhillon, E. C. Ferrara, L. Guillemot, J. W. T. Hessels, M. Kerr, S. A. Kwang, T. R. Marsh, M. B. Mickaliger, Z. Pleunis, H. J. Pletsch, M. S. E. Roberts, S. Sanpa-arsa, and B. Steltner