STUDIO SU SWIFT J1858 GUIDATO DALL’UNIVERSITÀ DI SOUTHAMPTON

Quel vento tiepido durante un pasto abbondante

Osservata per la prima volta l’emissione di venti caldi, tiepidi e freddi provenienti da una stella di neutroni mentre consuma materia dalla stella compagna vicina. La scoperta, effettuata utilizzando telescopi da terra e dallo spazio, fornisce nuove informazioni sui comportamenti di alcuni fra gli oggetti più estremi dell'universo. Con il commento di Thomas Russell, ricercatore all’Inaf Iasf di Palermo e coautore dello studio pubblicato oggi su Nature

     02/03/2022
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Rappresentazione artistica di una binaria a raggi X di piccola massa (Low Mass X-ray Binary) in cui una stella di neutroni consuma materia dalla compagna vicina, emettendo venti nello spazio circostante. Crediti: Gabriel Pérez (Iac)

Il cosmo è popolato da un variegato campionario di oggetti celesti. Alcuni di questi trascorrono tutta la loro vita in solitaria altri, invece, lo fanno in coppia, orbitando a stretto contatto l’uno attorno all’altro. Se uno dei due componenti del duetto è una stella di neutroni – ciò che resta di una stella molto grande esplosa e poi collassata – e l’altro è una stella di massa tipicamente inferiore a quella del Sole, gli astronomi chiamano il sistema “binaria a raggi X di piccola massa” – Low Mass X-ray Binary (Lmxb) in inglese.

Il motivo per cui queste sorgenti sono chiamate “a raggi X” è che l’oggetto compatto – la stella di neutroni – sottrae continuamente linfa vitale alla stella compagna attraverso un meccanismo fisico – chiamato accrescimento – che comporta l’emissione di raggi X. Quello che accade può essere così riassunto: la stella di neutroni cattura gravitazionalmente materia dalla partner; questa materia forma un disco di accrescimento attorno all’oggetto celeste in cui il gas ruota in maniera differenziale; il gas si riscalda per frizione, emettendo luce a diverse lunghezze d’onda con un picco nella banda dei raggi X.

Non tutta la materia della stella compagna viene però risucchiata dalla stella di neutroni. Parte di essa viene infatti espulsa nello spazio tramite potenti esplosioni, outburst in inglese, sotto forma di getti relativistici e venti – motivo per cui queste sorgenti sono ottimi laboratori per studiare sia l’accrescimento che l’espulsione della materia.

Le firme più comuni di questa materia in uscita sono associate a venti di gas osservabili alle lunghezze d’onda dell’ultravioletto, chiamati dagli addetti ai lavori “warm winds” (venti “tiepidi”) con riferimento alla temperatura del gas osservato a queste lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico. Tuttavia, fino a ora sono stati osservate espulsioni di soli venti di gas “caldo” o “freddo”: gas con temperature diverse e dunque rilevabili a lunghezze d’onda diverse, rispettivamente nella banda X e nell’ottico.

Un team di ricercatori di undici paesi, tra cui l’Italia, ha studiato la recente emissione di gas della binaria a raggi X Swift J1858, individuandone, di questo gas “tiepido”, la firma. Per farlo hanno usato una combinazione di telescopi, tra cui il telescopio spaziale Hubble della Nasa (Hst), il satellite Xmm-Newton dell’Esa, il Very Large Telescope (Vlt) dell’Eso e il Gran Telescopio Canarias (Gtc), gestito dall’Osservatorio del Roque de los Muchachos, alle Canarie.

«In questa ricerca abbiamo combinato le capacità uniche del telescopio spaziale Hubble con i migliori telescopi a terra, come il Vlt e il Gtc, per ottenere un quadro completo della dinamica del gas nel sistema binario, dal vicino infrarosso alle lunghezze d’onda ultraviolette. Questo ci ha permesso di svelare per la prima volta la vera natura di questi potenti deflussi», dice Noel Castro Segura, dottorando dell’Università di Southampton (Regno Unito) e primo autore dello studio.

I risultati delle osservazioni, pubblicati oggi sulla rivista Nature, hanno mostrato la presenza di firme persistenti di un vento “tiepido” alla lunghezza d’onda dell’ultravioletto, insieme a firme di un vento “freddo” alle lunghezze d’onda dell’ottico.

Swift J1858.6–0814 è una binaria a raggi X a bassa massa (Lmxb) scoperta nell’ottobre 2018 con il Burst Alert Telescope (Bat) a bordo del Neil Gehrels Swift Observatory. Le osservazioni a più lunghezze d’onda del sistema hanno portato rapidamente alla scoperta di controparti radio, ottiche e ultraviolette. La rivelazione di esplosioni termonucleari ha poi stabilito che l’oggetto in accrescimento della coppia fosse una stella di neutroni. A differenza di altre Lmxb, che accumulano in modo persistente materia dalla compagna, Swift J1858.6–0814 è un oggetto transiente, nel senso che risiede principalmente in uno stato non attivo, inframmezzato da periodi di intensa attività – che durano in genere da settimane a mesi – in cui si verificano potenti esplosioni con deflussi di materia dovuti all’accrescimento.

Thomas Russell, ricercatore postdoc all’Inaf Iasf di Palermo

«Durante gli outburst, le Lmxb possono raggiungere tassi di accrescimento elevatissimi, aumentando di più ordini di grandezza la loro luminosità nei raggi X e in altre bande dello spettro», spiega a Media Inaf  Thomas Russell, ricercatore postdoc all’Inaf Iasf di Palermo e co-autore dello studio. «Questa fase di attivo accrescimento è caratterizzata da due stati: uno “stato soft” in cui domina l’emissione da parte del disco di accrescimento e uno “stato hard” dominato dall’emissione della corona, una nube di elettroni caldi situata tra il disco di accrescimento e la stella di neutroni. Precedenti osservazioni multi banda avevano suggerito che l’emissione dei venti avvenisse solo nello “stato soft”, lasciando intendere che ci fosse una stretta correlazione tra la loro emissione e lo stato in cui si trova la sorgente. In questa ricerca, osservando Swift J1858 mentre era completamente attiva, abbiamo trovato linee di assorbimento nell’ultravioletto che rappresentano la firma di venti emessi dalla sorgente nel suo “stato luminoso hard”. Ciò sembra suggerire che simili espulsioni di materia non dipendono dal particolare stato dell’accrescimento in cui si trova la binaria X, ma sono sempre presenti».

Oltre a osservare il vento in uscita dalla sorgente, il team è stato anche in grado di studiarne l’evoluzione temporale, trovando che l’emissione di gas – la cui velocità di espulsione stimata è di circa 1.500 km/s – non è stata influenzata dalle forti variazioni di luminosità del sistema, cosa che era stata prevista teoricamente ma non ancora confermata sperimentalmente.

«La nostra comprensione di ciò che causa questi venti, e quanto essi siano fondamentali per l’evoluzione nel tempo di questi sistemi, è nel migliore dei casi grossolana», sottolinea Knox S. Long, astronomo emerito allo Space Telescope Science Institute, tra i firmatari dello studio. «Sono entusiasta perché le nostre scoperte aprono una nuova finestra su questi fenomeni e potrebbero in definitiva aiutarci a comprendere quali condizioni fisiche sono necessarie per alimentare i venti in una gamma più ampia di oggetti astrofisici».

«Le nuove conoscenze fornite dai nostri risultati sono fondamentali per capire come questi oggetti in accrescimento interagiscano con il loro ambiente» conclude Segura. «Questo è importante perché, rilasciando energia e materia nelle galassie, essi contribuiscono alla formazione di nuove generazioni di stelle e all’evoluzione delle galassie stesse».

Per saperne di più:

  • Leggi su Nature l’articolo “A persistent ultraviolet outflow from an accreting neutron star transient” di N. Castro Segura, C. Knigge, K.S. Long, D. Altamirano, M. Armas Padilla, C. Bailyn, D.A.H. Buckley, D.J.K. Buisson, J. Casares, P. Charles, J.A. Combi, V.A. Cúneo, N.D. Degenaar, S. del Palacio, M. Díaz Trigo, R. Fender, P. Gandhi, M. Georganti, C. Gutiérrez, J. V. Hernandez Santisteban, F. Jiménez-Ibarra, J. Matthews, M. Méndez, M. Middleton, T. Muñoz-Darias, M. Özbey Arabacı, M. Pahari, L. Rhodes, T.D. Russell, S. Scaringi, J. van den Eijnden, G. Vasilopoulos, F.M. Vincentelli e P. Wiseman