SONO LE PRIME SCOPERTE DAL PRECURSORE DI SKA

Otto pulsar al millisecondo per MeerKat

Sfruttando la sensibilità delle antenne paraboliche sudafricane, un gruppo guidato da radioastronomi dell’Istituto nazionale di astrofisica ha scandagliato le regioni centrali di alcuni ammassi globulari in cerca di pulsar debolissime. Maggiori dettagli sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

     28/04/2021
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L’ammasso globulare Ngc 6624 “fotografato” dall’Hubble Space Telescope di Nasa/Esa. Nel riquadro sono state evidenziate le posizioni di alcune delle pulsar contenute nell’ammasso: in particolare, in colore rosso, la posizione della pulsar G, scoperta da MeerKat. Ngc 6624 è visibile nella costellazione del Sagittario e si trova a circa 7880 anni luce da noi. Crediti: A. Ridolfi et al./Inaf/Hubble Space Telescope

In uno studio pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, un team internazionale guidato da radioastronomi dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) e del Max Planck Institute for Radio Astronomy (Mpifr) descrive la scoperta delle prime otto “pulsar al millisecondo” con il radiotelescopio sudafricano MeerKat gestito dal South African Radio Astronomy Observatory (Sarao). Si tratta di particolari pulsar (stelle di neutroni rotanti e pulsanti) che compiono un giro completo attorno al loro asse ogni pochi millesimi di secondo. Tutte localizzate all’interno di ammassi globulari, le otto pulsar individuate dalle antenne del radiotelescopio sudafricano permetteranno di approfondire la conoscenza di questi densi insiemi di stelle. Una delle pulsar scoperte potrebbe appartenere alla rara classe di sistemi binari contenenti una stella di neutroni molto massiccia: ciò aprirebbe la strada a importanti test di fisica fondamentale. Il risultato è il frutto del lavoro di due collaborazioni internazionali, Trapum e MeerTime, in cui i ricercatori di Inaf hanno avuto un ruolo preminente. 

Le “pulsar al millisecondo” sono tra gli oggetti più estremi dell’universo: sono stelle principalmente costituite da neutroni, super compatte (una potrebbe stare tutta dentro una sfera di diametro pari al Grande raccordo anulare di Roma), che ruotano al ritmo di centinaia di giri al secondo e che emettono un fascio di onde radio che investe l’osservatore ad ogni rotazione, come un faro. Quando questi fasci di radiazione incrociano la Terra durante la rotazione, la stella di neutroni diventa visibile come una sorgente radio pulsante. La loro formazione è favorita in presenza di elevate densità di stelle, che si riscontrano all’interno degli ammassi globulari. Il loro ritmo regolare le rende dei veri e propri “orologi cosmici” che possono essere sfruttati per condurre i più diversi esperimenti di fisica. 

«Abbiamo puntato le antenne di MeerKat su nove ammassi globulari, scelti tra quelli ritenuti più promettenti e in sei di essi abbiamo scoperto nuove pulsar», spiega Alessandro Ridolfi, ricercatore postdoc presso l’Inaf di Cagliari, coordinatore delle ricerca di pulsar negli ammassi globulari per il progetto Trapum, nonché primo autore della pubblicazione che riporta la scoperta. «Cinque di queste orbitano attorno a un’altra stella, e una fra queste, denominata Psr J1823-3021G e contenuta nell’ammasso globulare Ngc 6624, è particolarmente interessante in quanto percorre un’orbita fortemente ellittica. Con tutta probabilità, essa è il risultato di uno scambio di partner: a seguito di un “incontro ravvicinato”, la compagna originale è stata espulsa e sostituita da una nuova stella compagna».

Il radiotelescopio MeerKat in Sudafrica. Crediti: A. Ridolfi/Inaf

«Se i dati attuali verranno confermati dalle ulteriori osservazioni in corso, la pulsar potrebbe avere una massa elevata», sottolinea Tasha Gautam, del Mpifr di Bonn e coautrice della pubblicazione, «potenzialmente superiore a due volte la massa del Sole, oppure potrebbe trattarsi del primo sistema confermato formato da una pulsar al millisecondo e da una stella di neutroni. In entrambi i casi, la pulsar diventerebbe un formidabile laboratorio di fisica fondamentale».

«Le pulsar al millisecondo sono oggetti piuttosto rari», aggiunge Ridolfi, «perché per raggiungere altissime velocità di rotazione necessitano di trovarsi per lungo tempo (anche miliardi di anni) ad accrescere materia da una stella compagna di piccola massa. Una condizione del genere non è facile da realizzarsi nella nostra galassia, ma è molto comune negli ammassi globulari. Inoltre, l’elevata densità stellare propria degli ammassi globulari, fa sì che continue interazioni gravitazionali tra le varie stelle portino alla formazione di sistemi binari dalle proprietà inusuali, talvolta estreme. Per questi motivi gli ammassi globulari sono tra i luoghi più gettonati tra i radioastronomi in cerca di nuove pulsar super-veloci e dalle caratteristiche esotiche».

Le otto nuove pulsar non sono che la punta dell’iceberg: le osservazioni che hanno portato alla loro scoperta hanno infatti sfruttato solo circa 40 delle 64 antenne di MeerKat, e si sono concentrate sulle sole regioni centrali degli ammassi globulari. Tre di queste pulsar sono isolate, vale a dire che non orbitano attorno a una stella. Le restanti cinque pulsar, al contrario, sono parte di sistemi binari dalle caratteristiche piuttosto variegate: alcune si trovano in un’orbita di poche ore attorno a una stella molto leggera, che in alcuni casi perde massa causando eclissi del segnale della pulsar ad intervalli regolari; altre si trovano in orbite più grandi, con periodi di rivoluzione dell’ordine dei giorni, e con stelle compagne più massicce. 

«Il nuovissimo radiotelescopio MeerKat», precisa Andrea Possenti dell’Inaf di Cagliari, coordinatore delle osservazioni di pulsar negli ammassi globulari per la collaborazione MeerTime, «costituisce un enorme passo in avanti tecnologico per la ricerca e lo studio delle pulsar nel cielo australe. Nei prossimi anni ci si aspetta che MeerKar scoverà decine di nuove pulsar al millisecondo, facendoci pregustare quanto poi succederà con l’avvento delle antenne a media frequenza del radiotelescopio Ska, che rivoluzionerà molti campi dell’astrofisica, incluso lo studio delle pulsar. Per queste antenne, l’Italia gioca un ruolo fondamentale sia a livello di scienza che a livello di costruzione».

Le antenne del radiotelescopio MeerKat, precursore del progetto Ska in Sudafrica. Crediti: E. Sacchetti/Inaf

I risultati dello studio, a cui hanno contribuito anche Marta Burgay e Alessandro Corongiu dell’Inaf, sono l’esito della stretta collaborazione tra due delle Large Survey Proposal complementari attualmente in corso presso il radiotelescopio MeerKat: l’esperimento Trapum (guidato dall’Università di Manchester e dall’Mpifr, con la partecipazione di Inaf, National Radio Astronomy Observatory (Nrao) e Sarao), per la scoperta di nuove pulsar e di fenomeni radio transienti, e l’esperimento MeerTime (guidato dall’Università di Swinburne, con Inaf, Università di Manchester, Mpifr, Nrao e Sarao), volto a caratterizzare le pulsar tramite una procedura denominata timing e osservazioni polarimetriche. I membri delle due collaborazioni hanno anche sfruttato il riesame di dati di archivio raccolti nei decenni precedenti ai radiotelescopi di Green Bank (Usa) e di Parkes (Australia), questi ultimi estratti con il contributo sostanziale dell’Inaf.

Il radiotelescopio MeerKat, nel deserto del Karoo in SudAfrica, è costituito da 64 parabole da 13,5 metri di diametro. L’area di raccolta è tripla rispetto al telescopio di Parkes, che in 50 anni di storia ha scoperto oltre 1500 pulsar, la gran parte delle quali grazie al contributo di ricercatori Inaf. Precursore dello Ska Observatory, MeerKat prevede una fase di potenziamento: il progetto MeerKat+, al quale l’Inaf si è unito come partner e che porterà il numero di antenne a 84, per essere gradualmente integrato nella prima fase del progetto Ska, la cui costruzione inizierà quest’anno e continuerà fino al 2027. Le prime osservazioni scientifiche di MeerKat+ potrebbero iniziare già nel 2023, durante le fasi di collaudo del telescopio.

L’esperienza maturata con questo lavoro è servita ai ricercatori come banco di prova per programmare al meglio la survey vera e propria, attualmente ancora in corso. Quest’ultima fa uso di tutte le attuali 64 antenne del telescopio (guadagnando quindi ulteriormente in sensibilità), e allarga la ricerca a ben 28 diversi ammassi, osservando pure le regioni più periferiche. 

Per saperne di più:

  • Leggi su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society l’articolo “Eight new millisecond pulsars from the first MeerKAT globular cluster census”, di A. Ridolfi, T. Gautam, P. C. C. Freire, S. M. Ransom, S. J. Buchner, A. Possenti, V. Venkatraman Krishnan, M. Bailes, M. Kramer, B. W. Stappers, F. Abbate, E. D. Barr, M. Burgay, F. Camilo, A. Corongiu, A. Jameson, P. V. Padmanabh, L. Vleeschower, D. J. Champion, W.  Chen, M. Geyer, A. Karastergiou, R. Karuppusamy, A. Parthasarathy, D. J. Reardon, M. Serylak, R. M. Shannon e R. Spiewak