HESS OSSERVA RS OPHIUCHI CON UN DETTAGLIO SENZA PRECEDENTI

Un acceleratore di particelle al suo limite

Grazie all’osservatorio per raggi gamma Hess in Namibia, per la prima volta è stato possibile vedere l’evolversi di un processo di accelerazione nella nova ricorrente Rs Ophiuchi, che sembra accelerare le particelle a velocità che raggiungono il limite teorico, a energie diverse centinaia di volte superiori a quelle osservate in precedenza nelle nove. La ricerca è stata pubblicata su Science

     14/03/2022
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Il materiale espulso dalla superficie della nana bianca genera onde d’urto che si espandono rapidamente, formando una sorta di clessidra. Le particelle vengono accelerate da questi fronti d’urto, che si scontrano con il denso vento della stella gigante rossa per produrre fotoni di raggi gamma ad altissima energia. Crediti: Desy/Hess, Science Communication Lab

Osservazioni effettuate con l’osservatorio di raggi gamma Hess (High Energy Stereoscopic System), in Namibia, mostrano per la prima volta l’evolversi di un processo di accelerazione di particelle in una nova, un’enorme esplosione nucleare causata dall’accumulo di idrogeno sulla superficie di una nana bianca, che fa sì che la stella diventi molto più luminosa del solito. Una nova crea un’onda d’urto che spazza via il mezzo circostante, trascinando con sé le particelle e accelerandole a energie estreme. Sorprendentemente, la nova protagonista delle osservazioni – Rs Ophiuchi – sembra far accelerare le particelle a velocità che raggiungono il limite teorico, corrispondente a condizioni ideali. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Science.

Le nane bianche sono vecchie stelle che, al termine del loro percorso evolutivo, sono collassate su sé stesse e sono diventate oggetti estremamente compatti. Le nove si verificano, ad esempio, quando una nana bianca fa parte di un sistema binario in cui è presente una grande stella, e la nana bianca attira materiale dalla compagna più massiccia a causa della sua gravità. Quando il materiale raccolto supera una soglia critica, provoca un’esplosione termonucleare sulla superficie della nana bianca. È noto che alcune nove si ripetono. Rs Ophiuchi è proprio una di queste nove ricorrenti: sulla sua superficie avviene un’esplosione ogni 15-20 anni. «Le stelle che formano il sistema sono approssimativamente alla stessa distanza l’una dall’altra della Terra dal Sole», spiega Alison Mitchell, ricercatrice presso la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg e del programma Nova di Hess. «Quando la nova è esplosa nell’agosto 2021, i telescopi di Hess ci hanno permesso di osservare per la prima volta un’esplosione galattica in raggi gamma ad altissima energia».

Il gruppo di ricerca ha osservato che le particelle sono state accelerate a energie diverse centinaia di volte superiori a quelle osservate in precedenza nelle nove. Inoltre, l’energia rilasciata a seguito dell’esplosione è stata trasformata in modo estremamente efficiente in protoni e nuclei pesanti accelerati, e le particelle hanno raggiunto le velocità massime calcolate nei modelli teorici. «L’osservazione che in reali onde d’urto cosmiche il limite teorico per l’accelerazione delle particelle può essere effettivamente raggiunto, ha enormi implicazioni per l’astrofisica. Suggerisce che il processo di accelerazione potrebbe essere altrettanto efficiente nei loro parenti molto più estremi, le supernove», dice Ruslan Konno.

Rappresentazione artistica del sistema stellare binario Rs Ophiuchi, composto da una nana bianca (sullo sfondo) e una gigante rossa che orbitano l’una intorno all’altra. Il materiale della gigante rossa viene continuamente accumulato dalla stella compagna. Crediti: Desy/Hess, Science Communication Lab

Durante l’esplosione su Rs Ophiuchi, i ricercatori sono stati in grado per la prima volta di seguire lo sviluppo della nova in tempo reale, osservando e studiando l’accelerazione delle particelle cosmiche come se stessero guardando un film. I ricercatori sono riusciti a misurare i raggi gamma ad alta energia fino a un mese dopo l’esplosione. «Questa è la prima volta che siamo stati in grado di effettuare osservazioni come questa, che ci consentiranno di ottenere approfondimenti futuri ancora più precisi su come funzionano le esplosioni cosmiche», spiega Dmitry Khangulyan, astrofisico teorico presso la Rikkyo University di Tokyo, in Giappone. «Potremmo, ad esempio, scoprire che le nove contribuiscono all’onnipresente mare di raggi cosmici e che quindi hanno un effetto considerevole sulla dinamica dei loro immediati dintorni».

Per queste misurazioni erano necessari telescopi specifici. La struttura di Hess in Namibia è composta da cinque telescopi Cherenkov utilizzati per studiare i raggi gamma dallo spazio. Nel telescopio più grande è stata recentemente installata una nuova fotocamera all’avanguardia e altamente sensibile, nota come FlashCam. Il design della FlashCam è attualmente in fase di ulteriore sviluppo per l’osservatorio di raggi gamma di prossima generazione, il Cherenkov Telescope Array (Cta). «La nuova fotocamera è in uso dalla fine del 2019 e questa misurazione mostra quanto potenziale abbia l’ultima generazione di fotocamere», dice Simon Steinmaßl, del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg, che è stato coinvolto nell’analisi dei dati della fotocamera.

I telescopi sono stati puntati verso la nova con un preavviso molto breve dopo che gli astronomi amatoriali hanno segnalato per la prima volta la nova alla comunità astrofisica. Il successo dell’osservazione è stato dovuto in gran parte alla rapida reazione dei ricercatori e della più ampia comunità astronomica, e ha aperto la strada alle osservazioni successive. «Nei prossimi anni, la ricerca che utilizza i telescopi Cta mostrerà se questo tipo di nova è speciale», aggiunge il direttore di Hess Stefan Wagner. Inoltre, i ricercatori ora hanno un’idea più chiara di cosa cercare. Questo dà origine a una serie di nuove possibilità per acquisire una migliore comprensione ed essere in grado di spiegare meglio gli eventi legati alle nove. «Questa misurazione è un ulteriore successo nell’astronomia dei raggi gamma e un segno incoraggiante che saremo in grado di studiare molte altre esplosioni cosmiche con Hess e i telescopi a raggi gamma del futuro».

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