L’ARTICOLO IN USCITA SU THE ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS

Storia ai raggi X di una kilonova

Identificata una nuova componente di emissione X proveniente dallo stesso punto in cui nel 2017 è stata rilevata la fusione di stelle di neutroni che, rivelandosi nelle onde gravitazionali – il segnale Gw 170817 – e nelle onde elettromagnetiche, ha inaugurato l'era dell’astronomia multimessaggera. Secondo i ricercatori si tratterebbe di emissioni prodotte dalla materia circostante riscaldata dall'onda d’urto prodotta dalla fusione, ma non escludono possa essere l’emissione della materia in caduta nel buco nero che si è formato dalla coalescenza

     09/03/2022
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Rappresentazione artistica di due stelle di neutroni piccolissime, ma molto dense, sul punto di fondersi e esplodere come kilonova. Crediti: Eso/L. Calçada/M. Kornmesser

Non solo emissione di onde gravitazionali, radiazione ultravioletta, radiazione visibile e nel vicino infrarosso: l’evento di fusione di due stelle di neutroni rilevato nell’estate del 2017 all’interno della galassia Ngc 4993 è stato osservato anche nei raggi X. Un team di astronomi guidati dalla Northwestern University riporta ora le osservazioni della sorgente condotte con il telescopio per raggi X Chandra tre anni e mezzo dopo la fusione. I risultati dello studio, accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Journal Letters, sono compatibili con la presenza di una nuova componente di emissione X.

Il 17 agosto 2017 è una data che gli astronomi ancora non hanno dimenticato: è il giorno in cui, all’interno della galassia Ngc 4993, è stata rivelata la fusione di due stelle di neutroni, un evento cosmico che ha segnato la nascita dell’era dell’astronomia multimessaggera.

Dello scontro fra i due relitti stellari estremamente densi – questo sono le stelle di neutroni – è stata infatti registrata sia l’emissione nelle onde gravitazionali che quella nelle onde elettromagnetiche. La scansione temporale degli eventi è stata questa: pochi secondi dopo la rivelazione del segnale gravitazionale Gw 170817 da parte degli interferometri delle collaborazioni Ligo e Virgo, i telescopi per raggi gamma Fermi e Integral hanno osservato un breve lampo di raggi gamma, gamma ray burst in inglese, denominaro Grb 170817A. Undici ore dopo la fusione, il telescopio Swope di Las Campanas, in Cile, ha identificato una emissione transiente nell’ottico (Sss17a), alla quale sono seguite nelle due settimane successive osservazioni con una rete di telescopi da terra e dallo spazio nell’ultravioletto, ancora nell’ottico e nel vicino infrarosso che hanno rivelato che questa eccezionale controparte elettromagnetica era luce prodotta da un’esplosione astronomica mille volte più luminosa di una nova (l’evento legato all’esplosione di una nana bianca), causata dal decadimento di elementi radioattivi come platino e oro formatisi nei detriti dalla fusione: una kilonova.

Nessuna traccia invece di emissione nella banda X dello spettro. Nulla fino al 26 agosto 2017, il giorno in cui Chandra trova una sorgente puntiforme di raggi X: secondo i ricercatori, la prova di un getto di particelle ad alta energia prodotto dalla fusione; un getto collimato che inizialmente Chandra non ha osservato semplicemente perché puntava fuori dalla sua linea di vista, ma che successivamente, una volta rallentato ed espanso per interazione con la materia circostante, è caduto nella sua ragnatela.

L’emissione di raggi X dal getto ha iniziato costantemente a diminuire dall’inizio del 2018, man mano che esso rallentava e si espandeva ulteriormente. Poi qualcosa è cambiato, dicono gli autori dello studio in questione: da marzo a dicembre 2020 la fase di declino si è interrotta e l’emissione di raggi X rilevata da Chandra è stata, in termini di luminosità, approssimativamente costante.

«Il fatto che le emissioni X abbiano rapidamente smesso di affievolirsi è stata la nostra migliore prova che nei raggi X oltre al getto è stato rilevato qualcos’altro», spiega Raffaella Margutti, ricercatrice italiana attualmente in forza all’Università della California a Berkeley e co-autrice dello studio. «Per spiegare ciò che stiamo vedendo sembra che sia necessaria una sorgente di raggi X completamente diversa».

Illustrazione artistica che mostra l’esplosione di kilonova. Nel riquadro in alto a sinistra, l’immagine in X della sorgente ottenuta da Chandra quasi quattro anni dopo l’evento di fusione. Crediti illustrazione: Nasa / Cxc / M.Weiss. Crediti immagine X: Nasa / Cxc / Northwestern Univ. / A. Hajela et al.

Gli autori dello studio – tra i quali c’è anche Cristiano Guidorzi dell’Università di Ferrara, associato Inaf – un’idea su cosa possa essere questa nuova fonte di raggi X se la sono fatta. Anzi, due. La prima è che si tratti di un fenomeno noto come kilonova afterglow, ovvero l’emissione prodotta dalla materia interstellare riscaldata dall’onda d’urto prodotta dalla fusione. La seconda è che l’emissione provenga dalla materia in caduta nel buco nero che si è formato dalla fusione delle due stelle di neutroni. Ma come scartare una delle due ipotesi. Monitorando la sorgente sia nell’X che nel radio, spiegano i ricercatori. Se si tratta di afterglow, ci si aspetta di captare emissioni radio, che queste diventino più luminose nel tempo e che vengano rilevate nei prossimi mesi o anni, aggiungono i ricercatori. Nel secondo caso l’emissione di raggi X dovrebbe rimanere costante o diminuire rapidamente e non dovrebbe essere rilevata nel tempo alcuna emissione radio.

«Questa sarebbe la prima volta che vediamo un afterglow di kilonova o materia in caduta su un buco nero dopo la fusione di una stella di neutroni», dice Joe Bright, anche lui ricercatore dell’Università della California a Berkeley e co-autore della pubblicazione. «Entrambi i risultati sarebbero estremamente eccitanti».

«Siamo stati in grado di studiare le proprietà della kilonova grazie a numerose osservazioni nell’ottico e nell’infrarosso nelle prime settimane dopo la fusione, ma quella luce è svanita rapidamente», conclude Edo Berger, astronomo presso il Center for Astrophysics – Harvard & Smithsonian, tra i firmatari dello studio. «Ora potremmo avere una seconda possibilità di esplorare la kilonova usando i raggi X e, nel prossimo futuro, potenzialmente le onde radio. Combinare tutti questi dati a partire da poche ore dopo la fusione ad anni dopo l’evento è sicuro riveli nuove sorprese».

Ora il team sta analizzando i dati di nuove osservazioni di Chandra della sorgente eseguite a dicembre 2021. Sebbene l’analisi dei dati sia ancora in corso, fanno sapere i ricercatori, a oggi non è stato ancora segnalata alcuna rilevazione di emissioni radio associata all’emissione X.

Per saperne di più:

  • Leggi su arXiv.org il preprint dell’articolo “Evidence for X-ray Emission in Excess to the Jet Afterglow Decay 3.5 yrs After the Binary Neutron Star Merger GW 170817: A New Emission Component” di A. Hajela, R. Margutti, J. S. Bright, K. D. Alexander, B. D. Metzger, V. Nedora, A. Kathirgamaraju, B. Margalit, D. Radice, C. Guidorzi, E. Berger, A. MacFadyen, D. Giannios, R. Chornock, I. Heywood, L. Sironi, O. Gottlieb, D. Coppejans, T. Laskar, Y. Cendes, R. Barniol Duran, T. Eftekhari, W. Fong, A. McDowell, M. Nicholl, X. Xie, J. Zrake, S. Bernuzzi, F. S. Broekgaarden, C. D. Kilpatrick, G. Terreran, V. A. Villar, P. K. Blanchard, S. Gomez, G. Hosseinzadeh, D. J. Matthews e J. C. Rastinejad