Illustrazione artistica di Hercules X-1, sistema binario in cui una stella di neutroni sta allontanando materiale da una stella simile al sole. Crediti: Jose-Luis Olivares, Mit. Basata su un’immagine di D. Klochkov, European Space Agency
I corpi celesti compatti, come le stelle di neutroni e i buchi neri, divorano la materia circostante attraverso un disco di accrescimento: un colossale vortice di gas e polvere in cui confluisce il materiale che il potente campo gravitazionale sottrae a una stella vicina. Non tutto questo materiale però viene risucchiato dal piccolo corpo centrale: una buona parte viene espulsa sotto forma di venti che si sollevano dal disco in rotazione e che, in molti casi, possono influenzare anche l’ambiente circostante.
Studiando un sistema binario formato da una stella di neutroni che si nutre della materia proveniente da una stella di tipo solare, un team guidato da ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (Mit) negli Stati Uniti ha catturato diverse prospettive del disco rotante, creando per la prima volta una mappa dei suoi venti. I risultati sono stati pubblicati ieri in un articolo su Nature Astronomy.
«I venti lanciati da oggetti compatti in accrescimento hanno effetti importanti sulla loro crescita e sul mezzo interstellare. Tuttavia poco si sa della loro struttura, in particolare ad altezze diverse dal piano del disco», spiega a Media Inaf Ciro Pinto, ricercatore dell’Istituto nazionale di astrofisica a Palermo e co-autore dell’articolo. «In questo lavoro – ispirato da una conferenza in California nel 2018 – abbiamo sfruttato la precessione del disco, ovvero il suo moto simile a quello di una trottola causato dalla sua deformità, per studiare le righe di assorbimento del vento ad altezze diverse. Una campagna osservativa approvata al nostro team col satellite Xmm-Newton ci ha permesso di convertire una visione statica in un filmato e ottenere la prima visione 3D di un vento da un disco di accrescimento».
Nelle binarie a raggi X sono stati osservati spesso venti prodotti da dischi d’accrescimento, ma non è chiaro esattamente come questi venti vengano lanciati. Alcune teorie suggeriscono che i campi magnetici potrebbero distruggere il disco ed espellere parte del materiale verso l’esterno sotto forma di vento. Altre ipotizzano che la radiazione emessa dalla stella di neutroni possa riscaldare e far evaporare la superficie del disco dando luogo a raffiche incandescenti.
Ciro Pinto, ricercatore presso l’Istituto nazionale di astrofisica, con la replica degli specchi a bordo del satellite Xmm-Newton, in esposizione al Mullard Space Science Laboratory, vicino Londra
La struttura del vento, finora difficile da ricostruire in dettaglio, fornisce indizi importanti sulla sua origine. Ma esiste un sistema binario che offre una visione più ampia di questo fenomeno: Hercules X-1, a oltre 21mila anni luce da noi, verso la costellazione di Ercole. Si tratta di un sistema unico in quanto il suo disco di accrescimento oscilla mentre ruota attorno alla stella di neutroni, proprio come una trottola: un fenomeno noto come precessione. Approfittando di questa oscillazione, gli astronomi sono riusciti a osservare il disco sotto diversi angoli di vista in periodi diversi, rivelando così la forma e la struttura verticale del vento. È stato possibile ricavarne anche la velocità, dell’ordine delle centinaia di chilometri al secondo, piuttosto mite rispetto ad altri venti prodotti da dischi d’accrescimento.
«Il disco oscilla effettivamente ogni 35 giorni, e i venti si originano da qualche parte nel disco e attraversano la nostra linea di vista a diverse altezze sopra il disco nel tempo», nota Peter Kosec, postdoc presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del Mit e primo autore del lavoro. «Questa è una proprietà davvero unica di questo sistema che ci consente di comprendere meglio le caratteristiche verticali del vento».
Lo studio combina i dati ottenuti con due telescopi spaziali che osservano nei raggi X: Xmm-Newton dell’Agenzia spaziale europea e Chandra della Nasa. Attraverso lo spettro della sorgente nei raggi X, e in particolare misurando il rapporto tra l’intensità di diverse righe di assorbimento nello spettro, create quando la radiazione prodotta dal disco viene assorbita dal materiale che costituisce il vento, è stato possibile determinare la temperatura, la velocità e la quantità di plasma all’interno del vento del disco.
Nel caso di Hercules X-1, gli astronomi hanno potuto osservare la riga corrispondente al disco muoversi su e giù mentre questo ruotava e oscillava, consentendo loro di vedere l’impronta del vento ad altezze variabili rispetto al disco, anziché a un’unica altezza, come accade per un disco che ruota uniformemente. Questo ha permesso di scansionare proprietà come la temperatura e la densità del vento a diverse altezze e di costruire così una mappa della sua struttura verticale. «Quello che vediamo è che il vento si alza dal disco, con un angolo di circa 12 gradi rispetto al disco mentre si espande nello spazio. Man mano che si alza rispetto al disco diventa anche più freddo, più grumoso e più debole», aggiunge Kosec.
Il team intende confrontare le proprie osservazioni con simulazioni teoriche di vari meccanismi di lancio del vento, per comprendere quale di questi potrebbe spiegarne meglio le origini. Una volta individuati altri sistemi binari che, come Hercules X-1, hanno un disco interessato dal moto di precessione, sarà anche possibile applicare questa tecnica di mappatura a un campione di oggetti più vasto e studiare come variano le proprietà del vento, per esempio, con la massa di un buco nero o con la quantità di materiale accumulato, e determinare in che modo questi venti possono influenzare la formazione e l’evoluzione dei sistemi stellari e persino di intere galassie.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “Vertical wind structure in an X-ray binary revealed by a precessing accretion disk” di P. Kosec, E. Kara, A. C. Fabian, F. Fürst, C. Pinto, I. Psaradaki, C. S. Reynolds, D. Rogantini, D. J. Walton, R. Ballhausen, C. Canizares, S. Dyda, R. Staubert & J. Wilms