IXPE SVELA I SEGRETI PIÙ ENERGETICI DI CASSIOPEA A

Scrutando nel campo magnetico d’una supernova

Misurata e mappata per la prima volta la polarizzazione dei raggi X emessi dai resti dell’esplosione di supernova Cassiopea A. Il risultato, ottenuto grazie alle osservazioni di Ixpe, missione congiunta Nasa-Asi, permetterà di spiegare il ruolo dei campi magnetici nella produzione della radiazione di alta energia nei resti di supernove

     19/10/2022
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Immagine composita del resto di supernova Cas A. Crediti: X-ray: Chandra: Nasa/Cxc/Sao, Ixpe: Nasa/Msfc/J. Vink et al.; Optical: Nasa/Stsci

Il telescopio spaziale Ixpe (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) getta nuova luce sulle proprietà dei resti di supernova di recente formazione che accelerano le particelle a velocità prossime a quelle della luce. Lo studio pubblicato su The Astrophysical Journal lo scorso 12 ottobre è basato sulle osservazioni di Ixpe relative a Cassiopea A (Cas A), una nebulosa con una forma “a guscio” e una potente sorgente di onde radio e di raggi X, ciò che resta di una stella di grande massa esplosa circa 11mila anni fa. Lo studio di Jacco Vink, dell’Università di Amsterdam, primo autore dell’articolo che presenta questi risultati, ha visto la fondamentale partecipazione di ricercatrici e ricercatori dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), delle università di Pisa, Firenze, Torino, Roma Tre, Roma Tor Vergata e Padova.

Tutte le onde elettromagnetiche – dalle onde radio ai raggi gamma, compresa la luce visibile – possono essere polarizzate, ovvero possono oscillare lungo un preciso piano mentre si propagano. I sensori di Ixpe sono stati progettati per misurare con grande accuratezza la polarizzazione dei raggi X, che sono molto più energetici della radiazione luminosa e invisibili all’occhio umano.

Lanciata nello spazio il 9 dicembre 2021, Ixpe è una missione frutto della collaborazione tra la Nasa e l’Asi interamente dedicata allo studio dell’universo attraverso la polarizzazione dei raggi X. Utilizza tre telescopi installati a bordo con rivelatori finanziati dall’Asi e sviluppati da un team di scienziati dell’Infn e dell’Inaf, con il supporto industriale di Ohb-Italia.

Le prime osservazioni scientifiche di Ixpe,  si sono concentrate su Cas A, il resto di una esplosione stellare la cui luce dovrebbe aver raggiunto la Terra circa 350 anni fa. Gli strumenti del telescopio spaziale hanno osservato accuratamente per oltre un mese questa sorgente, con l’obiettivo di comprendere l’origine dei raggi X emessi dai vari filamenti della nebulosa attraverso gli urti del materiale espulso con il gas e le polveri che circondavano la stella progenitrice.

Una stella di grande massa alla fine del suo ciclo evolutivo collassa. Parte della sua massa va a formare una stella di neutroni o un buco nero, mentre un’altra parte viene “sparata” verso lo spazio circostante con estrema violenza investendo il materiale già presente attorno alla stella originaria. Il violento scontro che si viene a creare porta la materia a temperature altissime, producendo radiazione di alta energia e, probabilmente, accelerando grandi quantità di particelle, i cosiddetti raggi cosmici.

Questo grafico combina i dati dell’Imaging X-ray Polarimetry Explorer (Ixpe) della Nasa con un’immagine a raggi X di Chandra (blu) e una vista in luce ottica da Hubble (oro) del resto della supernova Cassiopea A (Cas A). Le linee in questo grafico provengono da misurazioni Ixpe che mostrano la direzione del campo magnetico attraverso le regioni del resto. Le linee verdi indicano le regioni in cui le misurazioni sono più altamente significative. Questi risultati indicano che le linee del campo magnetico vicino alla periferia di Cas A sono in gran parte orientate radialmente, cioè in una direzione dal centro del resto verso l’esterno. Le osservazioni Ixpe rivelano anche che il campo magnetico su piccole regioni è molto intricato, senza una direzione preferita dominante. Crediti: X-ray: Chandra: Nasa/Cxc/Sao; Ixpe: Nasa/Msfc/J. Vink et al.

Studiando la polarizzazione di questa luce, gli scienziati possono risalire a quel che accade dentro Cas A su scale molto piccole – con un livello di dettaglio che sarebbe difficile o impossibile da ottenere in altri modi. La direzione della polarizzazione ci indica la direzione dei campi magnetici che pervadono il resto di supernova e il grado di polarizzazione ci dice quanto questi siano ordinati.

Tuttavia, se i campi magnetici in prossimità dei fronti d’urto sono molto ingarbugliati, la radiazione osservata rifletterà la loro origine caotica, risultando meno polarizzata.

Sono stati inizialmente i radiotelescopi a suggerire l’origine caotica dei campi magnetici di Cas A, dopo aver osservato accuratamente l’intero resto di supernova e rivelato un grado di polarizzazione particolarmente basso, il 5 per cento. Questi hanno anche permesso di scoprire che il campo magnetico di Cas A è distribuito radialmente dal centro ai bordi esterni del resto di supernova, ovvero come i raggi di una “ruota”.

Prima di avere a disposizione i dati raccolti da Ixpe, gli scienziati ritenevano che la polarizzazione dei raggi X emessi da Cas A fosse, diversamente dal radio, prodotta da campi magnetici diretti tangenzialmente alla “ruota”.

Sorprendentemente invece, le osservazioni di Ixpe mostrano che i campi magnetici associati ai raggi X, prodotti in prossimità dei fronti d’urto, tendono a mantenere una disposizione radiale, con un grado di polarizzazione confrontabile con le osservazioni radio. Per i ricercatori questa proprietà è legata al fatto che anche i raggi X vengono prodotti in regioni molto turbolente, dove i campi magnetici sono fortemente mescolati.

«Ogni missione spaziale scientifica è di per sé un miglioramento rispetto a quanto costruito precedentemente e porta con sé un potenziale di scoperta», commenta Elisabetta Cavazzuti, responsabile del programma Ixpe per Asi. «Con Ixpe però siamo oltre. Ogni giorno osservare l’Universo con i suoi occhi è una sorpresa, perché’ non è stato mai lanciato un telescopio nemmeno simile a questo. Qualunque cosa scopriamo sarà una novità che potrà anche mettere in discussione le nostre teorie e questo è molto eccitante e stimolante. La missione è stata pensata per tanti anni ma in fine realizzata in pochissimo tempo mettendo a frutto la sinergia del team scientifico e dell’industria italiani e americani. È il risultato di una collaborazione internazionale che ha saputo mettere a fattor comune competenze e risorse con la consapevolezza che i dati di Ixpe sarebbero stati una novità assoluta».

«Questo studio incarna tutto ciò che Ixpe porta di nuovo all’astrofisica», dice Riccardo Ferrazzoli, coautore dello studio e ricercatore all’Istituto nazionale di astrofisica a Roma. «Non solo per la prima volta otteniamo informazioni sulla polarizzazione dei raggi X, ma queste informazioni sono spazialmente risolte: conosciamo cioè come queste cambiano in varie regioni della supernova. Ciò è reso possibile dalla combinazione tra le ottiche dei telescopi realizzate negli Stati Uniti e i rivelatori sensibili alla polarizzazione realizzati in Italia».

«Questo lavoro», aggiunge Luca Baldini dell’Infn di Pisa e co-principal investigator  italiano di Ixpe, «si basa in modo cruciale sulla capacità unica dei Gas Pixel Detector, ossia dei rivelatori che il team italiano ha sviluppato con tenacia e determinazione nel corso degli ultimi vent’anni, di misurare simultaneamente tutti i diversi tipi di informazione trasportata dalla radiazione elettromagnetica e, in particolare, la direzione d’arrivo, l’energia e, per la prima volta, la polarizzazione».

«Essendo stato il primo obiettivo della campagna osservativa di Ixpe», nota Ferrazzoli, «Cas A ha rappresentato il “banco di prova” per tutte le tecniche e strumenti di analisi dati che il team ha sviluppato negli ultimi anni, e tutti gli occhi della collaborazione sono stati puntati su di noi. Possiamo dire adesso di aver avuto successo. I dai raccolti da Ixpe in otto mesi dimostrano che nei sette anni precedenti i team hanno lavorato bene«.

«Il risultato non sarebbe stato possibile senza una analisi sofisticata dei dati. Infatti, la polarizzazione è emersa sommando le diverse parti di una regione circolare e assumendo che la polarizzazione sia sempre tangentE», ricorda Giorgio Matt dell’Università di Roma Tre.

«Ixpe è il primo polarimetro spaziale a immagine», conclude Paolo Soffitta, ricercatore Inaf e principal investigator italiano di Ixpe. «Questa proprietà ci permette di ridurre i segnali di fondo e ottenere vere e proprie immagini dell’emissione X proveniente dalle supernove a guscio. Durante il primo anno ne sono state osservate tre, tra cui Cas A. Stiamo ottenendo risultati molto importanti dalla analisi di ognuna di queste».

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