Una pulsar che emette raggi gamma a singhiozzo

Immagine gamma della regione centrata sulla pulsar PSRJ2021+4026 a sinistra la visione prima del sussulto a destra la visione successiva che mostra chiaramente la diminuzione del flusso  Sotto, un grafico del tasso di rallentamento della pulsar (espresso in milionesimi di rotazioni perse nel corso di un anno). Nel corso di ottobre 2011 il tasso di rallentamento è passato da 6,5 milionesimi di giro all'anno a 6,7. Un effetto macroscopico nell'energetica della pulsar

PSRJ2021+4026: a sinistra la visione prima del sussulto a destra la visione successiva che mostra la diminuzione del flusso. Segue il grafico del tasso di rallentamento della pulsar (espresso in milionesimi di rotazioni perse nel corso di un anno). Nel corso di ottobre 2011 il tasso di rallentamento è passato da 6,5 milionesimi di giro all’anno a 6,7. (Photocredit: NASA).

Un recente progetto di ricerca, noto come Neutron-star Interior Composition Explorer (NICER), intende studiare le caratteristiche delle stelle “morte” e usare la loro energia per future missioni su Marte e nell’Universo remoto. L’obiettivo è costruire dei razzi spaziali che potrebbero rivoluzionare il modo di viaggiare nello spazio.La missione, conosciuta come NICER/SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology), sfrutta 56 telescopi a raggi X e numerose tecnologie avanzate; coinvolge scienziati della NASA, del Massachusetts Institute of Technology, del Naval Research Laboratory e numerose Università degli Stati Uniti, del Canada e del Messico. NICER/SEXTANT sarà installata sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) nel 2017.

Stelle di neutroni e pulsar (pulsating radio source) sono zombie. Residui di stelle morte, le prime sono resti di stelle massicce che, dopo aver esaurito il loro combustibile nucleare, esploso e crollato in sfere super-dense delle dimensioni di New York City il cui peso è sostenuto dalla pressione di neutroni liberi, e che occasionalmente si nutrono di stelle vicine se si avventurano troppo vicino. Le pulsar sono nuclei che sopravvivono all’implosione di stelle supermassicce e che emettono intense radiazioni elettromagnetiche nella regione radio dello spettro. Di solito la velocità di rotazione della stella genera un campo magnetico molto forte dal quale vengono emessi due tipi di onde elettromagnetiche: i raggi gamma (nello spettro del viola) dalla superficie della stella, e onde radio (nello spettro del verde) dai due poli. L’emissione radio delle pulsar avviene ad intervalli molto frequenti e regolari – all’incirca un impulso ogni frazione di secondo.

Il metodo di osservazione basato sulle onde radio non è il migliore. Se si verifica un disallineamento tra l’asse di rotazione e i poli magnetici della pulsar, i raggi emessi sono difficilmente rilevabili (divergono con un’angolazione troppo ampia). Considerando che i radiotelescopi riescono a catturare un segnale solo se accade che almeno uno dei due raggi sia diretto verso il nostro pianeta, le possibilità di avere una mappatura completa delle pulsar con questo metodo sono minime. Negli ultimi anni, grazie al satellite FERMI realizzato dalla NASA e coordinato dall’Agenzia Spaziale Italiana, in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (IFIN), sono stati fatti numerosi progressi nella comprensione di queste stelle. Osservando i raggi gamma, sono state scoperte pulsar che non emettono onde radio: restano però ancora sconosciute le loro caratteristiche, i periodi di rotazione, i cambiamenti nel corso del tempo, la loro posizione nel cielo.

La missione NICER. L’obiettivo primario di NICER  è saperne di più sulla composizione interna di queste stelle zombie. Nell’Universo, le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi che conosciamo, la cui intensa gravità schiaccia una quantità impressionante di materia (spesso più di 1,4 volte il contenuto del sole o almeno 460.000 Terre): un cucchiaino di materia di una stella di neutroni peserebbe un miliardo di tonnellate sulla Terra. L’importanza di questo progetto di ricerca è facilmente comprensibile.

Non c’è altro modo di studiare le proprietà di una materia così densa. Le teorie su cosa sia e sul suo comportamento non mancano; tuttavia l’unico modo per corroborare i modelli  che simulano cosa accade alla materia sotto tali pressioni è quello di studiare le stelle di neutroni e le pulsar. Come mai? Gli acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider (LHC) possono lanciare fasci di atomi ad una velocità prossima a quella della luce; tuttavia, in queste collisioni si generano temperature che sono molto superiori a quelle delle stelle di neutroni e, soprattutto, la vita delle particelle che decadono è brevissima. Se per questo dobbiamo attendere il 2017, un recente studio rivela l’imprevedibilità delle pulsar.

Utilizzando i dati del Fermi Gamma- ray Space Telescope, i ricercatori hanno scoperto una pulsar che varia la quantità di radiazioni di raggi gamma che emette. Si è giunti a questo risultato grazie all’analisi di ben cinque anni di dati. PSR J2021+4026 ruota su se stessa circa quattro volte al secondo, e la sua vorticosa velocità rallenta di qualche milionesimo di giro ogni anno, visto che il gigantesco campo magnetico della stella agisce come un freno. L’energia persa quando la stella rallenta viene emessa sotto forma di radiazione elettromagnetica – questo ci consente di osservarla a varie lunghezze d’onda.

Se confrontata con le altre pulsar a raggi gamma, PSR J2021+4026 è una stella di neutroni abbastanza giovane (l’età calcolata è di 77.000 anni circa) ed energetica. Gli astrofisici suggeriscono una probabile associazione con il resto di supernova G78.1+2.1, cosa che la collocherebbe a una distanza di quasi 5 mila anni luce. Recentemente il telescopio per lo studio dell’universo nelle alte energie, ovvero XMM-Newton dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), è riuscito a misurare la sua pulsazione in raggi X. Una caratteristica che, ancora una volta, la accomuna a Geminga. Solo tre infatti, tra le 35 stelle di neutroni senza emissione radio del secondo catalogo delle pulsar Fermi, sono state viste pulsare nei raggi X (vanno menzionate anche Geminga e PSR J0007+7303, nel resto di Supernova CTA-1).

I raggi X e onde radio emesse dalla pulsar sono generati attraverso processi diversi rispetto ai raggi gamma. Quando EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope), il predecessore di Fermi, ha visto segni di variabilità, gli astrofisici credevano che la stabilità nell’emissione di raggi gamma da parte delle pulsar fosse un assioma. La pulsar, nota come PSR J2021 4026, è una delle prime pulsar scoperte Fermi dopo il suo lancio, nel 2008. Si trova nel cuore della regione Gamma Cygni, nella costellazione del Cigno. In un primo momento, sembrava una pulsar perfettamente normale. Eppure non è così.  Il team di Massimiliano Razzano ha registrato un piccolo aumento, ma costante, di raggi gamma a partire dall’inizio della missione di Fermi nel 2008 fino a metà ottobre 2011. Poi, in meno di una settimana, le energie di raggi gamma sono scese di quasi il 20%, mentre la velocità di rotazione della pulsar ha rallentato.

Una pulsar rallenta perché emette energia. Dove andava l’energia in più? Viene “deviata” da improvvise riconfigurazioni dell’intenso campo magnetico che la circonda. PSR J2021 4026 resta per ora l’unica pulsar a noi nota che emette in misura variabile i raggi gamma. (Articolo originariamente pubblicato su cyberscienza.it il giorno 8/10/2013).

Paper di riferimento: A. Allafort, et alii., “PSR J2021+4026 in the Gamma Cygni region: the first variable gamma-ray pulsar seen by the Fermi LAT,” 2013, ApJ, 777, L2;doi:10.1088/2041-8205/777/1/L2

Lo studio è disponibile in PDFPSR J2021+4026 in the Gamma Cygni region: the first variable gamma-ray pulsar seen by the Fermi LAT

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