Scienziati russi hanno scoperto una stella di neutroni unica, il cui campo magnetico è apparente solo quando la stella è vista sotto un certo angolo rispetto all'osservatore. La stella di neutroni GRO J2058+42 studiata dai ricercatori offre uno spaccato della struttura interna del campo magnetico della stella di neutroni solo in una certa fase del suo periodo di rotazione. Credito:@tsarcyanide, MIPT
Scienziati dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, Istituto di ricerca spaziale dell'Accademia russa delle scienze (IKI), e l'Osservatorio Pulkovo ha scoperto una stella di neutroni unica, il cui campo magnetico è apparente solo quando la stella è vista sotto un certo angolo rispetto all'osservatore. In precedenza, tutte le stelle di neutroni potrebbero essere raggruppate in due grandi famiglie:la prima comprendeva oggetti in cui il campo magnetico si manifesta durante l'intero ciclo di spin, e l'altro includeva oggetti in cui il campo magnetico non viene misurato affatto. La stella di neutroni GRO J2058+42 studiata dai ricercatori offre uno spaccato della struttura interna del campo magnetico di una stella di neutroni solo in una certa fase del suo periodo di rotazione. L'opera è stata pubblicata su Lettere per riviste astrofisiche .
La stella di neutroni nel sistema GRO J2058+42 è stata scoperta quasi un quarto di secolo fa con il Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) negli USA. Appartiene alla classe delle cosiddette pulsar a raggi X transitori. Questo oggetto è stato studiato utilizzando diversi strumenti e nulla lo distingueva da altri oggetti della sua classe. Solo osservazioni recenti con l'osservatorio spaziale NuSTAR che ha un'eccezionale combinazione dell'alta risoluzione energetica ( <400 eV) e range di energia estremamente ampio (3-79 keV), ha permesso agli scienziati di rilevare una caratteristica peculiare nell'emissione della pulsar, potenzialmente rendendolo il primo oggetto della propria famiglia.
Nello spettro di energia della sorgente è stata registrata una linea di assorbimento del ciclotrone che consente di stimare l'intensità del campo magnetico della stella di neutroni. Tale fenomeno osservativo (linea del ciclotrone) non è nuovo ed è attualmente osservato in circa 30 pulsar a raggi X. L'unicità della scoperta degli scienziati russi è che questa linea si manifesta solo quando la stella di neutroni è vista ad un certo angolo rispetto all'osservatore. Questa scoperta è stata possibile grazie a una dettagliata analisi "tomografica" del sistema. Gli spettri di raggi X della stella di neutroni GROJ2058+42 sono stati misurati da dieci diverse direzioni e solo in una di esse è stata riscontrata una significativa depressione dell'intensità di emissione di circa 10 keV. Questa energia corrisponde approssimativamente all'intensità del campo magnetico di 1012 G sulla superficie della stella di neutroni. Il risultato ottenuto è particolarmente interessante per la registrazione simultanea di armoniche superiori della linea del ciclotrone alla stessa fase di rotazione della stella di neutroni.
Le stelle di neutroni sono oggetti superdensi con un raggio di circa 10 km e una massa di 1,4-2,5 volte la massa del Sole. Le stelle di neutroni nascono a seguito di esplosioni di supernova che possono portare a una tale compressione della materia che gli elettroni si fondono con i protoni e formano neutroni, con conseguente masse colossali in piccoli volumi. Inoltre, l'intensità del campo magnetico sulla superficie della stella di neutroni dopo il collasso può raggiungere 1011-1012 G (che è decine di milioni di volte superiore a quella raggiunta nei più potenti laboratori terrestri). Tipicamente, le stelle di neutroni hanno una configurazione a dipolo del campo magnetico, cioè hanno due poli (simili alla Terra, che ha i poli magnetici Nord e Sud).
Un campo magnetico di una stella di neutroni con un forte campo magnetico (una magnetar) nel suo stato iniziale (a sinistra) e dopo la sua transizione allo stato instabile (a destra) Credito:Gourgouliatos et al
Alcune stelle di neutroni possono formare sistemi binari con stelle normali, catturare la materia dai loro compagni normali e accrescerla sui poli magnetici Questo processo è in qualche modo simile alla Terra che cattura le particelle del vento solare, che si traduce in un fenomeno noto come aurora. Se l'asse di rotazione della stella di neutroni non coincide con il suo asse magnetico, l'osservatore registrerà un segnale periodico, come uno da un faro, e la stella appare come una pulsar a raggi X.
GRO J2058+42 è una pulsar a raggi X molto particolare perché la sua emissione può essere osservata solo durante le esplosioni luminose. Tale comportamento è spiegato dal fatto che la stella compagna in questo sistema appartiene alle cosiddette stelle di classe Be. Tali stelle ruotano attorno al loro asse così rapidamente che attorno al loro equatore si forma un disco di materia in uscita (o cosiddetto decremento). Quando la stella di neutroni si muove attorno a una componente normale di massa elevata, la materia da un tale disco inizia a fluire sulla sua superficie, che porta a uno sfogo, o un rapido aumento della luminosità. Questi sono momenti ideali per studiare le proprietà fisiche di tali oggetti.
Tali studi sono tipicamente complicati dal fatto che le esplosioni nella maggior parte di tali sistemi sono piuttosto rare e non possono essere previste in modo affidabile. Perciò, è importante organizzare tempestivamente le osservazioni con osservatori spaziali quando tali eventi si verificano. Gli scienziati dei suddetti istituti hanno avuto la fortuna di cogliere l'inizio di una nuova esplosione da GRO J2058+42 e di organizzare rapidamente una serie di osservazioni con l'osservatorio NuSTAR. Queste osservazioni hanno mostrato che il campo magnetico si manifesta solo durante alcune fasi della rotazione della stella di neutroni, che può indicare la sua configurazione insolita o peculiarità nella geometria del sistema. I risultati ottenuti sono stati così intriganti che gli scienziati russi hanno contattato i loro colleghi del team NuSTAR e hanno suggerito di effettuare ulteriori osservazioni che confermassero i risultati iniziali.
Generalmente, possibili disomogeneità nella struttura del campo magnetico delle stelle di neutroni sono state previste da calcoli teorici, ma in precedenza si pensava che tali disomogeneità si formassero solo attraverso brevi esplosioni, osservato da magnetar. La scoperta degli scienziati russi ha dimostrato per la prima volta che il campo magnetico di una stella di neutroni ha una struttura notevolmente più complessa di quanto si credesse in precedenza, e che questa complessa struttura possa mantenere la sua forma per un tempo piuttosto lungo ed essere una proprietà fondamentale di un oggetto.
Aleksandr Lutovinov, Professore dell'Accademia Russa delle Scienze, Vicedirettore per la ricerca presso lo Space Research Institute, Professore MIPT, e uno degli autori della scoperta, disse, "La struttura dei campi magnetici delle stelle di neutroni è una questione fondamentale della sua formazione ed evoluzione. Da un lato, la struttura dipolo della stella progenitrice dovrebbe essere preservata durante il collasso, ma d'altra parte, anche il nostro Sole ha disomogeneità del campo magnetico locale che si manifestano come macchie solari. Strutture simili sono state previste teoricamente anche per le stelle di neutroni. È fantastico vederli per la prima volta in dati reali. I teorici avranno ora nuovi dati fattuali per la loro modellazione, e avremo un nuovo strumento per studiare i parametri delle stelle di neutroni".
