Gli scienziati che osservano una curiosa stella di neutroni in un sistema binario noto come "Rapid Burster" potrebbero aver risolto un mistero vecchio di quarant'anni che circonda i suoi sconcertanti lampi di raggi X. Hanno scoperto che il suo campo magnetico crea uno spazio intorno alla stella, impedendogli in gran parte di nutrirsi di materia dalla sua compagna stellare. Il gas si accumula fino a quando, a determinate condizioni, colpisce la stella di neutroni tutto in una volta, producendo intensi lampi di raggi X. La scoperta è stata fatta con telescopi spaziali tra cui l'XMM-Newton dell'ESA.

Scoperto negli anni '70, il Rapid Burster è un sistema binario che comprende una stella di piccola massa nel suo numero primo e una stella di neutroni, il residuo compatto della scomparsa di una stella massiccia. In una coppia così stellare, l'attrazione gravitazionale del residuo denso priva l'altra stella di parte del suo gas; il gas forma un disco di accrescimento e si dirige a spirale verso la stella di neutroni.

Come risultato di questo processo di accrescimento, la maggior parte delle stelle binarie di neutroni rilascia continuamente grandi quantità di raggi X, che sono punteggiati da ulteriori lampi di raggi X ogni poche ore o giorni. Gli scienziati possono spiegare queste esplosioni di "tipo I", in termini di reazioni nucleari che si innescano nel gas in ingresso – principalmente idrogeno – quando si accumula sulla superficie della stella di neutroni.

Ma il Rapid Burster è una fonte peculiare:al suo massimo splendore, emette questi flash di tipo I, mentre durante i periodi di minore emissione di raggi X, mostra le esplosioni molto più sfuggenti di "tipo II" - queste sono improvvise, rilasci irregolari ed estremamente intensi di raggi X.

A differenza dei burst di tipo I, che non rappresentano un rilascio significativo di energia rispetto a quanto normalmente emesso dalla stella di neutroni in accrescimento, le esplosioni di tipo II liberano enormi quantità di energia durante periodi altrimenti caratterizzati da scarse emissioni.

Nonostante quarant'anni di ricerche, burst di tipo II sono stati rilevati solo in un'altra sorgente oltre al Rapid Burster. Conosciuto come il Bursting Pulsar e scoperto negli anni '90, questo sistema binario comprende una stella di piccola massa e una stella altamente magnetizzata, stella di neutroni rotante - una pulsar - che mostra solo esplosioni di tipo II.

A causa della scarsità di fonti che mostrano questo fenomeno, i meccanismi fisici sottostanti sono stati a lungo dibattuti, ma un nuovo studio sul Rapid Burster fornisce le prime prove di ciò che sta accadendo.

"Il Rapid Burster è il sistema archetipico per studiare le esplosioni di tipo II:è il luogo in cui sono state osservate per la prima volta e l'unica fonte che mostra sia le esplosioni di tipo I che di tipo II, "dice Jakob van den Eijnden, uno studente di dottorato presso l'Anton Pannekoek Institute for Astronomy di Amsterdam, Paesi Bassi, e autore principale di una lettera pubblicata in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .

In questo studio, Jakob e i suoi colleghi hanno organizzato una campagna di osservazione utilizzando tre telescopi spaziali a raggi X per saperne di più su questo sistema.

Sotto il coordinamento del coautore Tullio Bagnoli, che aveva anche sede presso l'Anton Pannekoek Institute for Astronomy, il team è riuscito a osservare la sorgente esplodere in pochi giorni nell'ottobre 2015 con una combinazione di NuSTAR e Swift della NASA, e XMM-Newton dell'ESA.

Hanno prima monitorato la fonte con Swift, cronometrando le osservazioni per un periodo in cui si aspettavano che si verificasse una serie di esplosioni di tipo II. Quindi, subito dopo il rilevamento della prima raffica, gli scienziati misero in moto gli altri osservatori, utilizzando XMM-Newton per misurare i raggi X emessi direttamente dalla superficie della stella di neutroni o dal gas nel disco di accrescimento, e NuSTAR per rilevare i raggi X ad energia più elevata, che vengono emesse dalla stella di neutroni e riflesse dal disco.

Con questi dati, gli scienziati hanno esaminato la struttura del disco di accrescimento per capire cosa gli succede prima, durante, e dopo queste copiose emissioni di raggi X.

Secondo un modello, i burst di tipo II si verificano perché il campo magnetico rotante della stella di neutroni tiene a bada il gas che scorre dalla stella compagna, impedendole di avvicinarsi alla stella di neutroni e creando effettivamente un bordo interno al centro del disco. Però, mentre il gas continua a fluire e ad accumularsi vicino a questo bordo, gira sempre più veloce, e alla fine raggiunge la velocità di rotazione del campo magnetico.

"È come se lanciassimo qualcosa verso una giostra che gira velocissima:rimbalzerebbe, a meno che non venga lanciato alla stessa velocità della macchina, " spiega Jakob.

"Un simile atto di bilanciamento avviene tra il gas in entrata e il campo magnetico rotante:finché il gas non ha la giusta velocità, non può raggiungere la stella di neutroni e può solo accumularsi sul bordo. Quando raggiunge la giusta velocità, si è accumulato molto gas e colpisce la stella di neutroni tutto in una volta, dando luogo alla drammatica emissione di raffiche di tipo II."

Questo modello prevede che, mentre il materiale si accumula, dovrebbe formarsi uno spazio tra la stella di neutroni e il bordo del disco di accrescimento.

In altri modelli, i lampi intensi sono spiegati come derivanti da instabilità nel flusso del gas in accrescimento o da effetti relativistici generali. In ogni caso, queste avverrebbero molto più vicino alla stella di neutroni e non darebbero luogo a tale divario.

"Un gap è esattamente quello che abbiamo trovato al Rapid Burster, "dice Nathalie Degenaar, ricercatore presso l'Anton Pannekoek Institute for Astronomy e PhD advisor di Jakob. "Questo suggerisce fortemente che le esplosioni di tipo II sono causate dal campo magnetico".

Le osservazioni indicano che c'è uno spazio di circa 90 km tra la stella di neutroni e il bordo interno del disco di accrescimento. Sebbene non sia impressionante su scale cosmiche, la dimensione del divario è molto più grande della stessa stella di neutroni, che ha un raggio di circa 10 km.

Questo risultato è in linea con i risultati di un precedente studio di Nathalie e collaboratori, che aveva osservato un divario simile intorno al Bursting Pulsar, l'altra fonte nota per produrre esplosioni di tipo II.

Nel nuovo studio del Rapid Burster, gli scienziati hanno anche misurato la forza del campo magnetico della stella di neutroni:a 6 × 108 G, è circa un miliardo di volte più forte di quello terrestre e, più importante, oltre cinque volte più forte di quanto osservato in altre stelle di neutroni con una compagna stellare di piccola massa. Questo potrebbe suggerire una giovane età di questo sistema binario, suggerendo che il processo di accrescimento non è durato abbastanza a lungo da smorzare il campo magnetico, come si pensa sia accaduto in sistemi simili.

Se questa stella binaria di neutroni è davvero giovane come indica il suo forte campo magnetico, quindi si prevede che ruoti molto più lentamente delle sue controparti più vecchie:le misurazioni future della velocità di rotazione della stella potrebbero aiutare a confermare questo insolito scenario.

"Questo risultato è un grande passo avanti verso la risoluzione di un enigma vecchio di quarant'anni nell'astronomia delle stelle di neutroni, rivelando anche nuovi dettagli sull'interazione tra campi magnetici e dischi di accrescimento in questi oggetti esotici, " conclude Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist presso l'ESA.