Negli anni '80, i ricercatori hanno iniziato a scoprire sorgenti di raggi X estremamente luminose nelle porzioni esterne delle galassie, lontano dai buchi neri supermassicci che dominano i loro centri. All'inizio, i ricercatori pensavano che questi oggetti cosmici, chiamate sorgenti di raggi X ultraluminose, o ULX, erano grossi buchi neri con più di dieci volte la massa del sole. Ma le osservazioni iniziate nel 2014 dal NuSTAR della NASA e da altri telescopi spaziali mostrano che alcuni ULX, che brillano di luce a raggi X pari in energia a milioni di soli, sono in realtà stelle di neutroni, i nuclei bruciati di stelle massicce che sono esplose. Finora tre di queste ULX sono state identificate come stelle di neutroni.

Ora, un team guidato dal Caltech che utilizza i dati dell'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA ha identificato un quarto ULX come una stella di neutroni e ha trovato nuovi indizi su come questi oggetti possono brillare così intensamente.

Le stelle di neutroni sono oggetti estremamente densi:un cucchiaino peserebbe circa un miliardo di tonnellate, o quanto una montagna. La loro gravità attira su di loro il materiale circostante dalle stelle compagne, e mentre questo materiale viene tirato su, si riscalda e si illumina ai raggi X. Ma mentre le stelle di neutroni "si nutrono" della materia, arriva un momento in cui la luce a raggi X risultante spinge via la materia. Gli astronomi chiamano questo punto, quando gli oggetti non possono accumulare materia più velocemente ed emettere più raggi X, il limite di Eddington.

"Così come possiamo mangiare solo tanto cibo alla volta, ci sono limiti alla velocità con cui le stelle di neutroni possono accumulare materia, "dice Murray Brightman, uno studioso postdottorato al Caltech e autore principale di un nuovo rapporto sui risultati in Astronomia della natura . "Ma gli ULX stanno in qualche modo infrangendo questo limite per emettere raggi X così incredibilmente luminosi, e non sappiamo perché".

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno esaminato un ULX nella galassia Whirlpool, noto anche come M51, che si trova a circa 28 milioni di anni luce di distanza. Hanno analizzato i dati dei raggi X d'archivio presi da Chandra e hanno scoperto un'insolita flessione nello spettro luminoso dell'ULX. Dopo aver escluso tutte le altre possibilità, hanno scoperto che il calo era dovuto a un fenomeno chiamato diffusione della risonanza del ciclotrone, che si verifica quando le particelle cariche (protoni con carica positiva o elettroni con carica negativa) ruotano in un campo magnetico. I buchi neri non hanno campi magnetici e le stelle di neutroni sì, quindi la scoperta ha rivelato che questo particolare ULX in M51 doveva essere una stella di neutroni.

La diffusione della risonanza del ciclotrone crea firme rivelatrici nello spettro di luce di una stella e la presenza di questi modelli, chiamate linee di ciclotrone, può fornire informazioni sulla forza del campo magnetico della stella, ma solo se la causa delle linee, che si tratti di protoni o elettroni, è conosciuto. I ricercatori non hanno uno spettro abbastanza dettagliato del nuovo ULX per dirlo con certezza.

"Se la linea del ciclotrone proviene da protoni, allora sappiamo che questi campi magnetici attorno alla stella di neutroni sono estremamente forti e potrebbero in effetti aiutare a rompere il limite di Eddington, ", afferma Brightman. Campi magnetici così forti potrebbero ridurre la pressione dei raggi X di un ULX, la pressione che normalmente spinge via la materia, consentendo alla stella di neutroni di consumare più materia di quella tipica e di brillare con i raggi X estremamente luminosi.

Se la linea del ciclotrone proviene da elettroni circolanti, in contrasto, allora l'intensità del campo magnetico attorno alla stella di neutroni non sarebbe eccezionalmente forte, e quindi il campo probabilmente non è la ragione per cui queste stelle infrangono il limite di Eddington. Per affrontare ulteriormente il mistero, i ricercatori stanno pianificando di acquisire più dati sui raggi X sull'ULX in M51 e cercare più linee di ciclotrone in altri ULX.

"La scoperta che questi oggetti luminosissimi, a lungo ritenuti buchi neri con masse fino a 1, 000 volte quella del sole, sono alimentati da stelle di neutroni molto meno massicce, è stata una grande sorpresa scientifica, "dice Fiona Harrison, Benjamin M. Rosen professore di fisica del Caltech; il Kent e Joyce Kresa Leadership Chair della Divisione di Fisica, Matematica e Astronomia; e l'investigatore principale della missione NuSTAR. "Ora potremmo effettivamente ottenere solidi indizi fisici su come questi piccoli oggetti possano essere così potenti".