CON UN COMMENTO DI FABIO MULERI DI INAF

Alla radice dei getti di un buco nero

Il telescopio spaziale Ixpe ha osservato per la prima volta la polarizzazione dei raggi X provenienti dalla regione più interna del disco di accrescimento intorno al buco nero Cygnus X-1. Le nuove misure individuano la sorgente dei raggi X entro 2000 km dall'orizzonte degli eventi, suggerendo che partano proprio da qui i potenti getti di materia che accompagnano l'accrescimento. Tutti i dettagli su Science

     03/11/2022
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Rappresentazione artistica di Cygnus X-1, con il buco nero al centro dell’immagine e la sua stella compagna sulla sinistra. Crediti: John Paice

La missione Ixpe (Imaging X-Ray Polarimetry Explorer) ha osservato il suo primo buco nero in accrescimento. E non uno qualsiasi: si parte con Cygnus X-1, sorgente brillante di raggi X nella costellazione del Cigno che fu la prima a essere identificata come un buco nero, nel lontano 1964. Le misure realizzate da Ixpe, una collaborazione internazionale tra la Nasa e l’Agenzia Spaziale Italiana (Asi) che scruta l’universo attraverso i raggi X e la loro polarizzazione, hanno rivelato nuovi dettagli sulla configurazione della materia caldissima che si trova nei pressi del buco nero. I risultati sono stati pubblicati oggi su Science.

«Ixpe ci ha permesso di vedere, sebbene indirettamente, cose che non possiamo distinguere neanche con i nostri più potenti telescopi, ovvero quello che succede a poche migliaia di chilometri dal buco nero in Cygnus X-1. A queste distanze, un’inezia rispetto a quelle che si incontrano nell’universo, la materia è così calda che brilla nei raggi X», spiega a Media Inaf Fabio Muleri, ricercatore dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) e secondo autore dell’articolo pubblicato su Science. «Ixpe ha la capacità unica di dirci come questa radiazione nasce e arriva fino a noi, tramite una sua caratteristica chiamata polarizzazione. Abbiamo investito più di vent’anni per misurarla, ma infine Ixpe ci sta confermando che questa fosse la strada giusta».

Cygnus X-1 è un sistema binario formato da un buco nero con una massa pari a 21 volte quella del Sole, che divora, attraverso un disco di accrescimento, la materia della sua compagna, una stella blu molto brillante con la massa di circa 41 soli. Mentre cade verso il buco nero, la materia viene riscaldata raggiungendo temperature di milioni di gradi e dando origine così all’emissione nei raggi X.

«Le precedenti osservazioni ai raggi X dei buchi neri misuravano solo la direzione di arrivo, il tempo di arrivo e l’energia dei raggi X provenienti dal plasma caldo che spiraleggia verso i buchi neri», afferma Henric Krawczynski, professore alla Washington University in St. Louis e primo autore del nuovo articolo. «Ixpe misura anche la loro polarizzazione lineare, che contiene informazioni su come sono stati emessi i raggi X e se e dove disperdono materiale vicino al buco nero».

La radiazione rivelata con Ixpe proviene dal plasma entro duemila chilometri dall’orizzonte degli eventi – ovvero la regione attorno al buco nero da cui non può fuoriuscire nulla, nemmeno la luce – che nel caso di Cygnus X-1 ha un diametro di circa sessanta chilometri. Lo studio, a cui hanno partecipato ricercatrici e ricercatori dell’Inaf, dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), dell’Asi e di varie università italiane, ha utilizzato le misure della polarizzazione di questi raggi X per affinare i modelli teorici che descrivono come i buchi neri inghiottono la materia, dando luogo a emissione di radiazione su tutto lo spettro elettromagnetico tra le più intense dell’universo.

La combinazione dei dati Ixpe con le osservazioni simultanee, realizzate dagli osservatori a raggi X Nicer e NuStar della Nasa a maggio e giugno 2022, ha consentito agli autori di comprendere meglio la forma e la posizione del plasma attorno al buco nero. Le osservazioni mostrano che il plasma si estende perpendicolarmente a un getto bipolare a forma di matita, che era stato ripreso da precedenti osservazioni in banda radio, e non parallelamente a esso. L’allineamento della direzione di polarizzazione dei raggi X con il getto supporta l’ipotesi che a lanciare questo getto siano i processi in corso nella regione più interna, quella da cui provengono i raggi X, in prossimità del buco nero.

I modelli favoriti dai dati prevedono che una corona di plasma caldo racchiuda il disco di materia che spiraleggia verso il buco nero, come un panino, o che questa corona sostituisca addirittura la parte interna del disco. Sono esclusi invece i modelli in cui la corona ha la forma di una colonna o di un cono di plasma stretto lungo l’asse del getto. «Queste nuove intuizioni renderanno possibili studi migliori nei raggi X su come la gravità curva lo spazio e il tempo vicino ai buchi neri», aggiunge Krawczynski. Le misure di Ixpe, inoltre, indicano che il flusso di accrescimento verso il buco nero appare più inclinato, lungo la nostra linea di vista, rispetto a quanto si pensasse in precedenza. Questo potrebbe indicare che il piano equatoriale del buco nero e il piano orbitale del sistema binario non sono allineati, un possibile effetto risultante dall’esplosione della stella che ha dato origine al buco nero stesso.

«La missione Ixpe utilizza specchi a raggi X fabbricati presso il Marshall Space Flight Center della Nasa e la strumentazione sul piano focale fornita da una collaborazione tra Asi, Inaf e Infn», sottolinea Muleri. «Oltre a Cygnus X-1, Ixpe viene utilizzato per studiare un’ampia gamma di sorgenti di raggi X estreme, tra cui stelle di neutroni in accrescimento, pulsar e pulsar wind nebulae, resti di supernova, il nostro centro galattico e nuclei galattici attivi. Abbiamo trovato tante sorprese e ci stiamo divertendo molto».

Per saperne di più:

  • Leggi su Science l’articolo “Polarized x-rays constrain the disk-jet geometry in the black hole x-ray binary Cygnus X-1” di Henric Krawczynski, Fabio Muleri, Michal Dovčiak, Alexandra Veledina, Nicole Rodriguez Cavero, Jiri Svoboda, Adam Ingram, Giorgio Matt, Javier A. Garcia, Vladislav Loktev, Michela Negro, Juri Poutanen, Takao Kitaguchi, Jakub Podgorný, John Rankin, Wenda Zhang, Andrei Berdyugin, Svetlana V. Berdyugina, Stefano Bianchi, Dmitry Blinov, Fiamma Capitanio, Niccolò Di Lalla, Paul Draghis, Sergio Fabiani, Masato Kagitani, Vadim Kravtsov, Sebastian Kiehlmann, Luca Latronico, Alexander A. Lutovinov, Nikos Mandarakas, Frédéric Marin, Andrea Marinucci, Jon M. Miller, Tsunefumi Mizuno, Sergey V. Molkov, Nicola Omodei, Pierre-Olivier Petrucci, Ajay Ratheesh, Takeshi Sakanoi, Andrei N. Semena, Raphael Skalidis, Paolo Soffitta, Allyn F. Tennant, Phillipp Thalhammer, Francesco Tombesi, Martin C. Weisskopf, Joern Wilms, Sixuan Zhang, Iván Agudo, Lucio A. Antonelli, Matteo Bachetti, Luca Baldini, Wayne H. Baumgartner, Ronaldo Bellazzini, Stephen D. Bongiorno, Raffaella Bonino, Alessandro Brez, Niccolò Bucciantini, Simone Castellano, Elisabetta Cavazzuti, Stefano Ciprini, Enrico Costa, Alessandra De Rosa, Ettore Del Monte, Laura Di Gesu, Alessandro Di Marco, Immacolata Donnarumma, Victor Doroshenko, Steven R. Ehlert, Teruaki Enoto, Yuri Evangelista, Riccardo Ferrazzoli, Shuichi Gunji, Kiyoshi Hayashida, Jeremy Heyl, Wataru Iwakiri, Svetlana G. Jorstad, Vladimir Karas, Jeffery J. Kolodziejczak, Fabio La Monaca, Ioannis Liodakis, Simone Maldera, Alberto Manfreda, Alan P. Marscher, Herman L. Marshall, Ikuyuki Mitsuishi, Chi-Yung Ng, Stephen L. O’Dell, Chiara Oppedisano, Alessandro Papitto, George G. Pavlov, Abel L. Peirson, Matteo Perri, Melissa Pesce-Rollins, Maura Pilia, Andrea Possenti, Simonetta Puccetti, Brian D. Ramsey, Roger W. Romani, Carmelo Sgrò, Patrick Slane, Gloria Spandre, Toru Tamagawa, Fabrizio Tavecchio, Roberto Taverna, Yuzuru Tawara, Nicholas E. Thomas, Alessio Trois, Sergey Tsygankov, Roberto Turolla, Jacco Vink, Kinwah Wu, Fei Xie, Silvia Zane