Le stelle di neutroni sono uno degli oggetti astronomici più affascinanti dell'Universo conosciuto. Oltre ad essere il tipo di stella più denso (con la possibile eccezione delle stelle di quark), è noto che formano anche coppie binarie con stelle massicce. Ad oggi, sono stati scoperti solo 39 di questi sistemi, e ancora meno sono stati rilevati che erano composti da una stella massiccia e da una stella di neutroni a raggi gamma ad altissima energia (VHE).
Ad oggi sono stati trovati solo due di questi sistemi, il secondo dei quali era scoperto solo pochi anni fa da un team di astronomi internazionali noto come Sistema di array di telescopi per l'imaging delle radiazioni molto energico (VERITAS) collaborazione. Oltre ad essere una scoperta rara, la scoperta è stata anche molto fortunata, poiché il comportamento insolito che hanno osservato provenire da questo sistema non si ripeterà fino al 2067.
In poche parole, le stelle di neutroni sono i resti densi di una stella che è esplosa in una supernova, lasciandosi dietro un oggetto estremamente denso e compatto che ruota rapidamente. Ciò fa sì che una stella di neutroni generi potenti campi magnetici che focalizzano la sua radiazione in un raggio stretto, che appare come un faro se visto di profilo. Quando questi raggi si intersecano con la Terra, gli astronomi possono rilevare questi impulsi alla radio e ad altre lunghezze d'onda.
Rappresentazione artistica dell'esotico oggetto doppio che consiste in una minuscola stella di neutroni orbita intorno a una stella più massiccia. Credito: ESO/L. Calçada
Poiché è comune per le stelle massicce formare coppie binarie, non sorprende che alcune pulsar abbiano una compagna orbitante che è sopravvissuta al suo partner diventando una supernova. È anche comune che questi sistemi abbiano dischi di detriti, che sono influenzati dalla pulsar in rapida rotazione. Quando le radiazioni si scontrano con i detriti, creano particelle cariche che possono essere accelerate quasi alla velocità della luce, producendo raggi gamma ad altissima energia (VHE).
Utilizzando i quattro telescopi da 12 m al Osservatorio Fred Lawrence Whipple , che è gestito dallo Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO), la collaborazione VERITAS ha iniziato a tracciare quello che si pensava fosse un sistema di pulsar a raggi gamma VHE nel 2016. Questa sorgente si trova in un enorme vivaio stellare a circa 5000 anni luce dalla Terra in direzione del Costellazione del Cigno .
Con l'aiuto di un team di astronomi che ha utilizzato i due 17 m Imaging gamma atmosferica maggiore Cherenkov (MAGIC) telescopi (situati presso il Osservatorio El Roque de Los Muchachos nelle Isole Canarie), il team ha scoperto che la pulsar aveva un'enorme compagna stellare che le orbitava ogni 50 anni in un'orbita estremamente ellittica. Le due squadre hanno anche calcolato che le stelle sarebbero state nei punti più vicini nella loro orbita entro il 13 novembre 2017 e non sarebbero tornate fino al 2067.
I direttori della collaborazione VERITAS avevano precedentemente preso parte alla partecipazione con altri astronomi per monitorare questo sistema prima, durante e dopo il suo avvicinamento più ravvicinato. Usando i quattro telescopi del Fred Lawrence Whipple Observatory, hanno rilevato i raggi gamma dai brevissimi lampi di radiazione Cherenkov che appaiono nei cieli quando vengono assorbiti dall'atmosfera terrestre.
Le prime osservazioni, condotte nel 2016, hanno rivelato deboli emissioni di raggi gamma, coerenti con il fatto che il sistema binario è incorporato in un vivaio stellare. 'Questa emissione di basso livello e costante è molto probabilmente da una nebulosa che viene continuamente alimentata dalla pulsar', disse Ralph Bird, ricercatore post-dottorato presso l'Università della California a Los Angeles, che ha svolto un ruolo di primo piano nella campagna VERITAS.
Gli scienziati hanno quindi aspettato che le stelle raggiungessero il punto più vicino della loro orbita per vedere se ci sarebbe stato qualche cambiamento. Secondo Alicia López Oramas, ricercatrice di MAGIC presso l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), e uno degli autori corrispondenti dello studio, 'ci si aspettava che un sistema così unico emettesse raggi gamma ad altissima energia durante questo approccio, e questa occasione non poteva essere persa”.
A settembre le cose hanno cominciato a cambiare drasticamente. Come Tyler Williamson, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università del Delaware e un altro collaboratore chiave di VERITAS, indicato :
“Il flusso di raggi gamma che abbiamo osservato a settembre era il doppio del valore precedente. Durante il massimo avvicinamento tra la stella e la pulsar, nel novembre 2017, il flusso è aumentato di 10 volte in una sola notte”.
Per spiegare questo comportamento, il team ha abbinato modelli teorici basati sulle ultime teorie su pulsar, dischi di detriti e le emissioni risultanti alle loro osservazioni. Ciò si è rivelato infruttuoso, il che li ha portati a concludere che sono necessarie revisioni significative, che includano migliori informazioni sull'incontro tra le due stelle.
I due telescopi MAGIC Cherenkov all'Osservatorio del Roque de los Muchachos si svolgeranno alla Palma. Credito: IAC
In breve, sono necessarie ulteriori osservazioni su questa coppia binaria prima di poter effettuare una modellazione adeguata. Ciò non è sorprendente poiché questo sistema è solo il secondo caso di un sistema pulsar binario che mostra emissione di raggi gamma VHE. Tuttavia, le osservazioni raccolte dai due team sono state preziose, dato che tutte le precedenti spiegazioni sul comportamento delle binarie di pulsar a raggi gamma VHE erano speculazioni.
Nei prossimi anni, gli scienziati hanno in programma di continuare ad osservare questa e altre pulsar per monitorare il comportamento esotico proveniente da questo tipo estremo di oggetti. E se i modelli adeguati possono essere sviluppati per questo particolare sistema, sarà di immenso valore per gli scienziati, offrendo informazioni sulla nascita e l'evoluzione di oggetti compatti, che vanno dalle pulsar ai sistemi binari di buchi neri.
Come Wystan Benbow, un astrofisico con il CfA, ha dichiarato , 'i continui investimenti nel funzionamento di strutture uniche e all'avanguardia come VERITAS sono fondamentali e garantiranno ulteriori opportunità per ottenere una scienza trasformativa'.
La collaborazione VERITAS è un gruppo di 80 scienziati provenienti da 20 istituzioni con sede negli Stati Uniti, Canada, Germania e Irlanda. Lo studio che descrive i loro risultati è apparso di recente nel Lettere per riviste astrofisiche . Il Osservatorio Fred Lawrence Whipple è gestito dallo Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO).
Ulteriori letture: CfA