MISURE DI PRECISIONE CON NICER, XMM, SIFAP2 E AQUEYE+

Per centocinquanta microsecondi di ritardo

Misurando il brevissimo intervallo temporale tra le emissioni in banda X e ottica di Psr J1023 – un raro tipo di pulsar – con quattro telescopi, fra i quali il Telescopio nazionale Galileo e il Telescopio Copernico dell’Istituto nazionale di astrofisica, un team guidato da Giulia Illiano dell’Inaf di Roma è riuscito a ricostruire la complessa geometria del sistema del quale la pulsar fa parte e il processo fisico all’origine del segnale

     09/01/2023
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Giulia Illiano, 25 anni, di Roma, è la prima autrice dello studio su Psr J1023 pubblicato il 3 gennaio su A&A

Pulsar è una contrazione dell’espressione inglese pulsating radio source: sorgente radio pulsante. Ma le pulsar – i fari del cosmo – non emettono sempre e solo fasci d’onde radio: spesso emettono raggi X, a volte anche luce visibile. E in certi rari casi le si è viste emettere entrambi questi fasci: X e ottico. Ma non contemporaneamente: quasi contemporaneamente. È il caso della rarissima Psr J1023+0038, una millisecond pulsar transizionale pulsante in banda ottica – l’unica pulsar a oggi nota che possa fregiarsi di tutti gli attributi appena elencati. Quasi quanto? Per misurare l’intervallo temporale tra le due emissioni, un team di astrofisici guidato da Giulia Illiano dell’Inaf di Roma l’ha cronometrata a più riprese nell’arco di cinque anni, dal maggio del 2017 al febbraio del 2022. Lo ha fatto con quattro telescopi – due dallo spazio e due da terra. Risultato: l’intervallo tra le due emissioni è in media di circa 150 microsecondi. Un ritardo che a noi può sembrare a dir tanto veniale, ma che in realtà racchiude importanti indizi sulla natura di queste pulsar.

Laureata alla Sapienza, dottoranda in astrofisica all’Osservatorio astronomico dell’Inaf di Roma, appassionata di karate – è cintura nera secondo dan – e di trekking in montagna, Illiano ha ricevuto il mese scorso, all’Inaf di Arcetri, una menzione d’onore nell’ambito del premio “Magini” per la sua tesi di laurea magistrale in astrofisica: un criterio importante, aveva detto la commissione, era che si trattasse di lavori che potessero potenzialmente portare a una pubblicazione. Detto fatto: il risultato ottenuto dal suo team sui ritardi di Psr J1023 è stato pubblicato la settimana scorsa su Astronomy & Astrophysics. L’abbiamo intervistata.

 Cos’è una optical transitional millisecond pulsar? E cosa la distingue da una normale pulsar? 

«Le millisecond pulsar sono stelle di neutroni rotanti al millisecondo: in un secondo, ruotano su sé stesse centinaia di volte, emettendo fasci di radiazione simili a quelli di un faro. Solitamente distinguiamo due classi di pulsar al millisecondo, in base al tipo di radiazione che emettono e al meccanismo che ne è all’origine: le pulsar radio sono alimentate dalla rotazione dell’intenso campo magnetico della stella di neutroni, agendo come acceleratori di particelle; le pulsar a raggi X hanno un’emissione che è alimentata dalla cattura di materia trasferita da una stella compagna. Pochi decenni fa sono state scoperte le millisecond pulsar transizionali (transitional millisecond pulsars), che oscillano tra lo stato di pulsar radio e quello di pulsar a raggi X su tempi scala molto brevi, anche in un giorno o meno. Al momento conosciamo solo tre millisecond pulsar transizionali con certezza. Nel 2017 il gruppo con cui lavoro ha scoperto per la prima volta una millisecond pulsar transizionale pulsante in banda ottica (optical transitional millisecond pulsars), aprendo una nuova importante finestra per studiare questi affascinanti oggetti».

Come ci siete riusciti?

«L’osservazione di pulsazioni ottiche da questa sorgente è stata possibile grazie all’utilizzo del fotometro ottico rapido SiFap2, montato al Telescopio nazionale Galileo (Tng) dell’Inaf, nell’isola di La Palma, alle Canarie. Una scoperta importante, perché suggerisce che i due meccanismi descritti prima possano lavorare contemporaneamente: per spiegare l’elevata luminosità ottica pulsata osservata, si pensa che una pulsar radio sia attiva nel sistema nonostante la presenza di un disco di accrescimento. Al momento conosciamo solo un’altra pulsar al millisecondo ottica: oltre alla transizionale J1023, il gruppo con cui lavoro ha scoperto pulsazioni ottiche anche dalla millisecond pulsar in accrescimento Sax J1808, sempre grazie a osservazioni eseguite con SiFap2».

Solo due pulsar al millisecondo ottiche note, dunque, delle quali una soltanto transizionale: come mai? Sono così rare?

«Conosciamo poche pulsar al millisecondo ottiche perché fino a poco tempo fa non avevamo gli strumenti giusti montati su telescopi abbastanza grandi: l’accoppiata SiFap/Tng ha risolto il problema. Questo strumento – in grado di misurare l’arrivo dei singoli fotoni di luce visibile – montato su un telescopio di 3.6 metri di diametro ha reso possibile la scoperta delle pulsazioni ottiche di Psr J1023. Non si pensava che le millisecond pulsar emettessero pulsazioni ottiche abbastanza brillanti da essere osservabili, ma una volta trovata la prima, il gruppo ha iniziato una campagna che sta mostrando che la popolazione di millisecond pulsar ottiche è più diffusa di quanto pensassimo».

Il ritardo dell’emissione ottica rispetto a quella X misurato con i telescopi X Nicer e Xmm dallo spazio e, da terra, con i fotometri ottici SiFap2 e Aqueye+ (cliccare per ingrandire). Crediti: G. Illiano et al., A&A, 2023

La vostra pulsar – Psr J1023 – emette i suoi fasci d’onde elettromagnetiche, se ho ben capito, più o meno seicento volte al secondo. E voi avete misurato il ritardo del fascio ottico rispetto a quello X. Con quali strumenti?

«Esatto, la pulsar emette i suoi fasci di radiazione ogni 1688 microsecondi circa. Su osservazioni acquisite con diversi strumenti nell’arco di circa cinque anni, noi abbiamo misurato il ritardo della pulsazione ottica rispetto a quella X, che al massimo è pari a qualche centinaia di microsecondi. Per eseguire queste stime così precise, abbiamo utilizzato osservazioni quasi simultanee nelle due bande. Le osservazioni nei raggi X sono state eseguite con Nicer, uno strumento della Nasa montato sulla Stazione spaziale internazionale, e il telescopio a raggi X dell’Esa Xmm-Newton. Nell’ottico abbiamo utilizzato due cosiddetti “fotometri ottici rapidi” che si trovano su due diversi telescopi dell’Inaf: SiFap2, del quale ho già detto, montato al Tng, e Aqueye+, montato al Telescopio Copernico di Asiago».

Cosa vi ha spinto ad andare a misurare questo ritardo?

«Ci sono tante indicazioni del fatto che le pulsazioni ottiche e X siano generate da Psr J1023 all’incirca nella stessa regione e abbiano un meccanismo comune di emissione: secondo il modello proposto, si originerebbero in una regione a circa cento chilometri dalla pulsar, dove il suo forte vento incontra la materia del disco di accrescimento. Il meccanismo alla base di queste pulsazioni, ossia l’emissione di sincrotrone (il meccanismo di emissione di fotoni a seguito di interazione tra particelle relativistiche e campi magnetici), prevede differenti tempi di emissione per i fotoni ottici e per quelli X: questa è l’idea alla base della nostra ricerca».

Ottico, X… l’avete vista emettere anche in banda radio?

«Psr J1023 si trova in un particolare stato, uno stato intermedio tra quello di pulsar radio e quello di pulsar a raggi X, in cui si pensa che appunto la presenza sia di un forte vento della pulsar sia di un disco di accrescimento siano all’origine delle brillanti pulsazioni ottiche che osserviamo. In questo stato intermedio in cui si trova Psr J1023 da ormai dieci anni circa non sono state rivelate pulsazioni in banda radio».

Torniamo al ritardo che avete misurato: è costante o cambia nel tempo?

«Nel nostro lavoro abbiamo analizzato nove set di osservazioni quasi simultanee in banda ottica e nei raggi X acquisite nell’arco di circa cinque anni. Anche se i valori stimati per questo ritardo non sono sempre gli stessi (la piccola variazione osservata può essere spiegata anche da oscillazioni del raggio interno del disco di accrescimento, che si avvicina o allontana leggermente dalla pulsar), abbiamo trovato che gli sfasamenti temporali si trovano sempre in un intervallo molto limitato di valori: qualche centinaia di microsecondi, appunto. Questo supporta l’ipotesi che le pulsazioni ottiche e X si originino all’incirca nella stessa regione e che abbiano un meccanismo comune di emissione».

Poche centinaia di microsecondi… sembra un ritardo irrisorio: siete certi che non sia magari dovuto al fatto che gli orologi dei vostri quattro telescopi – due nello spazio e due sulla Terra, fra l’altro – non fossero perfettamente sincronizzati?

«Prima di analizzare i nostri dati – che consistono in una lista di tempi di arrivo dei fotoni osservati – facciamo diverse operazioni, tra cui riportare tutti i valori al Baricentro del Sistema solare. Questa convenzione permette di essere sicuri che i tempi osservati da telescopi posti in diverse regioni della Terra e dai telescopi in orbita siano perfettamente sincronizzati».

Il Telescopio nazionale Galileo (Tng), a sinistra, e il Telescopio Copernico, a destra, entrambi dell’Inaf. Crediti (per il Tng): G. Tessicini

Allora il ritardo che avete misurato a cosa può mai essere dovuto? E cosa ci dice di nuovo su queste pulsar?

«Il ritardo osservato ci fornisce importanti indicazioni sui meccanismi all’origine delle pulsazioni ottiche e X di questa sorgente e sulla geometria del sistema in esame. Secondo il modello proposto, gli elettroni sono accelerati ad altissime velocità nella regione in cui il vento della pulsar incontra il disco di accrescimento ed emettono poi secondo il meccanismo di sincrotrone interagendo con il forte campo magnetico presente in questa regione. Pensiamo quindi che le pulsazioni ottiche e X si originano secondo il meccanismo di sincrotrone, che presenta tempi diversi di emissione per i fotoni ottici e per quelli nei raggi X, a causa delle loro energie differenti».

Un risultato reso possibile, dicevamo, anche grazie a due telescopi dell’Inaf: il Tng, alle Canarie, e il Copernico, ad Asiago. Ha mai avuto occasione di visitarli? Ne ha uno preferito?

«Negli ultimi mesi ho avuto l’occasione di visitare di persona sia il Tng sia il Telescopio Copernico. Sarebbe difficile dire quale mi piace di più, entrambi mi hanno affascinata per motivi diversi. Per quanto riguarda gli studi di pulsar, come accennavo prima, è necessario accoppiare lo strumento giusto a un telescopio grande, e il Tng ha il quadruplo della superficie del Copernico. A fine agosto 2022 ho avuto l’occasione di partecipare a una scuola di dottorato presso l’Osservatorio astronomico di Asiago. In quell’occasione Luca Zampieri, coordinatore del gruppo che lavora con Aqueye+, mi ha portata a vedere lo strumento e il Telescopio Copernico. Non ho però fatto osservazioni, è stata una bellissima visita decisa all’improvviso. A fine novembre 2022, grazie al supporto della Fundación Galileo Galilei, che gestisce il Tng per conto dell’Inaf, ho avuto l’occasione di eseguire osservazioni con SiFap2 per diverse notti. Non ho però osservato J1023, ma altre sorgenti candidate millisecond pulsar per cui avevo fatto richiesta nei mesi precedenti. Era la prima volta che andavo a fare osservazioni di persona e sono rimasta affascinata. Oltre al posto meraviglioso in cui è situato il Tng, con il cielo stellato più bello che abbia mai visto, sono rimasta colpita dall’atmosfera. lnfatti, l’osservatorio Roque de Los Muchachos ospita altri dieci telescopi oltre al Tng: è quindi un luogo totalmente isolato, ma con tanti astronomi appassionati, che osservano il cielo di notte e dormono di giorno. È stato molto importante per me capire tutto il lavoro che viene fatto per acquisire i dati che poi analizziamo».


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