L'ammasso di galassie Perseo, situato a circa 240 milioni di anni luce di distanza, è mostrato in questa composizione di luce visibile (verde e rossa) e immagini nel vicino infrarosso della Sloan Digital Sky Survey. Non visto qui è un sottile, piccante, Gas che emette raggi X che riempie l'ammasso. Credito:Robert Lupton e il consorzio Sloan Digital Sky Survey
Prima che la sua breve missione si concludesse inaspettatamente nel marzo 2016, L'osservatorio giapponese a raggi X Hitomi ha catturato informazioni eccezionali sui movimenti del gas caldo nell'ammasso di galassie Perseus. Ora, grazie a dettagli senza precedenti forniti da uno strumento sviluppato congiuntamente dalla NASA e dalla Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), gli scienziati hanno potuto analizzare più a fondo la composizione chimica di questo gas, fornendo nuove informazioni sulle esplosioni stellari che hanno formato la maggior parte di questi elementi e li hanno lanciati nello spazio.
L'ammasso di Perseo, situato a 240 milioni di anni luce di distanza nella sua omonima costellazione, è l'ammasso di galassie più luminoso ai raggi X e tra i più massicci vicino alla Terra. Contiene migliaia di galassie orbitanti all'interno di un sottile gas caldo, tutti legati insieme dalla gravità. Il gas ha una media di 90 milioni di gradi Fahrenheit (50 milioni di gradi Celsius) ed è la fonte dell'emissione di raggi X dell'ammasso.
Utilizzando lo spettrometro a raggi X molli ad alta risoluzione (SXS) di Hitomi, i ricercatori hanno osservato il cluster tra il 25 febbraio e il 6 marzo, 2016, acquisendo un'esposizione totale di quasi 3,4 giorni. L'SXS ha osservato uno spettro senza precedenti, rivelando un paesaggio di picchi di raggi X emessi da vari elementi chimici con una risoluzione circa 30 volte migliore di quanto visto in precedenza.
In un articolo pubblicato online sulla rivista Natura il 13 novembre il team scientifico mostra che le proporzioni degli elementi trovati nell'ammasso sono quasi identiche a quelle che gli astronomi vedono nel Sole.
"Non c'era motivo di aspettarsi che inizialmente, " ha detto il coautore Michael Loewenstein, uno scienziato ricercatore dell'Università del Maryland presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "L'ammasso di Perseo è un ambiente diverso con una storia diversa da quella del nostro Sole. Dopotutto, gli ammassi rappresentano una distribuzione chimica media di molti tipi di stelle in molti tipi di galassie che si sono formate molto prima del Sole".
Un gruppo di elementi è strettamente legato a una particolare classe di esplosioni stellari, chiamate supernove di tipo Ia. Si pensa che queste esplosioni siano responsabili della produzione della maggior parte del cromo dell'universo, manganese, ferro e nichel-metalli noti collettivamente come elementi "iron-peak".
Lo strumento Soft X-ray Spectrometer (SXS) di Hitomi ha acquisito dati da due aree sovrapposte dell'ammasso di galassie Perseus (contorni blu, in alto a destra) a febbraio e marzo 2016. Lo spettro risultante ha 30 volte il dettaglio di qualsiasi altro catturato in precedenza, rivelando molti picchi di raggi X associati al cromo, manganese, nichel e ferro. Le linee blu scure nei riquadri indicano i punti dati effettivi dei raggi X e le loro incertezze. Credito:Goddard Space Flight Center della NASA
Le supernove di tipo Ia comportano la distruzione totale di una nana bianca, un residuo compatto prodotto da stelle come il Sole. Sebbene stabile da solo, una nana bianca può subire un'esplosione termonucleare fuori controllo se è accoppiata con un altro oggetto come parte di un sistema binario. Ciò si verifica fondendosi con una nana bianca compagna o, quando accoppiato con una stella normale vicina, rubando parte del gas del partner. La materia trasferita può accumularsi sulla nana bianca, aumentando gradualmente la sua massa fino a quando non diventa instabile ed esplode.
Un'importante questione aperta è stata se la nana bianca che esplode è vicina a questo limite di stabilità - circa 1,4 masse solari - indipendentemente dalle sue origini. Masse diverse producono quantità diverse di metalli con picco di ferro, quindi un conteggio dettagliato di questi elementi su una vasta regione di spazio, come l'ammasso di galassie Perseo, potrebbe indicare quali tipi di nane bianche esplodono più spesso.
"Si scopre che è necessaria una combinazione di supernove di tipo Ia con masse diverse al momento dell'esplosione per produrre le abbondanze chimiche che vediamo nel gas al centro dell'ammasso Perseus, " disse Hiroya Yamaguchi, l'autore principale del documento e uno scienziato ricercatore UMD presso Goddard. "Confermiamo che almeno circa la metà delle supernove di tipo Ia deve aver raggiunto quasi 1,4 masse solari".
Presi insieme, i risultati suggeriscono che la stessa combinazione di supernove di tipo Ia che producono elementi con picco di ferro nel nostro sistema solare ha prodotto anche questi metalli nel gas dell'ammasso. Ciò significa che sia il sistema solare che l'ammasso di Perseo hanno sperimentato un'evoluzione chimica sostanzialmente simile, suggerendo che i processi che formano le stelle e i sistemi che sono diventati supernove di tipo Ia erano comparabili in entrambi i luoghi.
"Anche se questo è solo un esempio, non c'è motivo di dubitare che questa somiglianza possa estendersi oltre il nostro Sole e l'ammasso di Perseo ad altre galassie con proprietà diverse, ", ha affermato la coautrice Kyoko Matsushita, professore di fisica alla Tokyo University of Science.
Sebbene di breve durata, la missione Hitomi e il suo rivoluzionario strumento SXS —sviluppato e costruito da scienziati Goddard che lavorano a stretto contatto con colleghi di diverse istituzioni negli Stati Uniti, Giappone e Paesi Bassi hanno dimostrato la promessa della spettrometria a raggi X ad alta risoluzione.
Illustrazione di Hitomi, un osservatorio astronomico a raggi X. Credito:Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
"Hitomi ci ha permesso di approfondire la storia di una delle più grandi strutture dell'universo, l'ammasso di galassie Perseo, ed esplorare come le particelle e i materiali si comportano in condizioni estreme lì, " ha detto Richard Kelley di Goddard, l'investigatore principale degli Stati Uniti per la collaborazione Hitomi. "I nostri calcoli più recenti hanno fornito uno sguardo su come e perché alcuni elementi chimici sono distribuiti in tutte le galassie oltre la nostra".
Gli scienziati della JAXA e della NASA stanno ora lavorando per riguadagnare le capacità scientifiche perse nell'incidente di Hitomi, collaborando alla X-ray Astronomy Recovery Mission (XARM), dovrebbe essere lanciato nel 2021. Uno dei suoi strumenti avrà capacità simili all'SXS volato su Hitomi.
Hitomi è stato lanciato il 17 febbraio, 2016, e ha subito un'anomalia del veicolo spaziale che ha terminato la missione 38 giorni dopo. Hitomi, che si traduce in "pupilla dell'occhio, " era conosciuto prima del lancio come ASTRO-H. La missione è stata sviluppata dall'Istituto di Scienze Spaziali e Astronautiche, una divisione di JAXA. È stato costruito congiuntamente da una collaborazione internazionale guidata da JAXA, con contributi di Goddard e di altre istituzioni negli Stati Uniti, Giappone, Canada ed Europa.
