Gli scienziati hanno scoperto qualcosa di sorprendente.

In un ammasso di alcune delle stelle più massicce e luminose della nostra galassia, circa 5, 000 anni luce dalla Terra, gli astronomi hanno rilevato che le particelle venivano accelerate da una stella di neutroni in rapida rotazione mentre passava vicino alla stella massiccia su cui orbita solo una volta ogni 50 anni.

La scoperta è estremamente rara, secondo l'astrofisico dell'Università del Delaware Jamie Holder e il dottorando Tyler Williamson, che facevano parte del team internazionale che ha documentato l'accaduto.

Holder ha chiamato questa eccentrica coppia di stelle legate gravitazionalmente un "sistema binario a raggi gamma" e ha paragonato l'evento irripetibile all'arrivo della cometa di Halley o all'eclissi solare degli Stati Uniti dell'anno scorso.

Le stelle massicce sono tra le stelle più luminose della nostra galassia. Le stelle di neutroni sono stelle estremamente dense ed energetiche che si verificano quando una stella massiccia esplode.

Questo sistema binario è una stella massiccia con una stella di neutroni in orbita attorno ad essa. Dei 100 miliardi di stelle nella nostra galassia, meno di 10 sono noti per essere questo tipo di sistema.

Ancora meno:solo due sistemi, compreso questo, sono noti per avere una stella di neutroni identificata, o pulsar, che emette impulsi di onde radio che gli scienziati possono misurare. Questo è importante perché dice agli astronomi in modo molto accurato quanta energia è disponibile per accelerare le particelle, qualcosa di cui gli scienziati sanno poco.

"Non si potrebbe chiedere un laboratorio naturale migliore per studiare l'accelerazione delle particelle in un ambiente in continua evoluzione - a energie ben oltre qualsiasi cosa possiamo produrre sulla Terra, " ha detto Titolare, un professore nel Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'UD.

Il progetto è stato condotto da un team di scienziati, compresi Holder e Williamson, utilizzando il telescopio VERITAS presso il Fred Lawrence Whipple Observatory in Arizona, in collaborazione con scienziati che utilizzano i telescopi MAGIC presso l'Osservatorio del Roque de los Muchachos situato a La Palma, un'isola delle Canarie, Spagna. (VERITAS sta per Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System e MAGIC sta per Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov telescopi.)

I ricercatori hanno recentemente riportato i loro risultati nel Lettere di giornali astrofisici.

Sperando in fuochi d'artificio

La domanda naturale, a molte menti, è perché gli scienziati si preoccupano delle particelle accelerate?

"Perché la nostra galassia ne è piena. Li chiamiamo raggi cosmici e trasportano tanta energia quanto la luce di tutte le stelle, " disse Titolare.

Gli astronomi hanno scoperto più di 100 anni fa che esistono particelle accelerate, tuttavia, come o dove queste particelle accelerano rimane un mistero. Le pulsar sono tra gli oggetti più estremi dell'universo e hanno campi magnetici intorno a loro che sono milioni di volte più forti di qualsiasi cosa gli scienziati possano sperare di costruire sulla terra. Quando una pulsar incontra polvere o gas vicino a una stella massiccia, le particelle vicine accelerano, quasi alla velocità della luce, e si scontrano con ciò che le circonda. Il risultato è un raggio di luce ad alta energia chiamato radiazione gamma o raggi gamma.

Telescopi sofisticati, come quelli gestiti da VERITAS e MAGIC, possono rilevare questi raggi gamma perché emettono un lampo di luce blu quando raggiungono l'atmosfera terrestre. Mentre i nostri occhi non possono vedere questi lampi di luce perché sono troppo veloci, lunga solo nanosecondi, questi telescopi possono.

Esperienza di dottorato irripetibile

Gli astronomi hanno scoperto per la prima volta i raggi gamma provenienti dalla pulsar in questa insolita coppia di stelle nel 2008. Circa delle dimensioni di Newark, Delaware, la pulsar gira come l'accessorio di un frullatore da cucina, emettendo piccoli impulsi di raggi gamma e onde radio ad ogni rotazione.

Misurando queste frequenze di impulsi radio, gli astronomi sono stati in grado di dire quanto velocemente si stava muovendo la pulsar e calcolare esattamente quando sarebbe stata più vicina alla stella massiccia che stava orbitando—Nov. 13, 2017. È un viaggio durato 50 anni.

I team VERITAS e MAGIC hanno iniziato a monitorare il cielo notturno e a tracciare l'orbita della pulsar nel settembre 2016. All'inizio, non erano nemmeno sicuri se avrebbero visto qualcosa. Ma nel settembre 2017 gli astronomi hanno iniziato a rilevare un rapido aumento del numero di raggi gamma che colpiscono la parte superiore dell'atmosfera terrestre.

Mentre monitoravano i dati provenienti dai telescopi VERITAS, Holder e Williamson si resero conto che la pulsar stava facendo qualcosa di diverso ogni giorno.

"Mi svegliavo ogni mattina e controllavo se avevamo nuovi dati, quindi analizzalo il più velocemente possibile, perché c'erano momenti in cui il numero di raggi gamma che stavamo vedendo cambiava rapidamente in un giorno o due, " ha detto Williamson, un dottorando del quarto anno.

Durante il massimo avvicinamento tra la stella e la pulsar nel novembre 2017, Williamson ha notato che i telescopi VERITAS avevano, durante la notte, registrato dieci volte il numero di raggi gamma rilevati solo pochi giorni prima.

"Ho ricontrollato tutto prima di inviare i dati ai nostri collaboratori, " disse Williamson. "Allora uno dei nostri partner, Ralph Bird all'UCLA, ha confermato di aver ottenuto gli stessi risultati; è stato emozionante".

Ancora più interessante:questi dati osservativi non corrispondevano a quanto previsto dai modelli predittivi.

Parlando in generale, Titolare ha detto, i modelli esistenti prevedevano che mentre la pulsar si avvicinava alla stella massiccia stava orbitando, il numero di raggi gamma prodotti accelererebbe lentamente, sperimentare una certa volatilità e poi decadere lentamente nel tempo.

"Ma i nostri dati registrati hanno mostrato invece un enorme picco nel numero di raggi gamma, "Ha detto Holder. "Questo ci dice che dobbiamo rivedere i modelli di come sta avvenendo questa accelerazione delle particelle".

Cosa c'è di più, secondo Titolare, mentre gli astrofisici si aspettavano che il telescopio spaziale Fermi della National Aeronautics and Space Administration (NASA) registrasse questi raggi gamma, non l'ha fatto. Holder ha detto che il motivo di ciò non è chiaro, ma questo fa parte di ciò che rende i risultati di VERITAS così interessanti.

Gli astrofisici vogliono sapere quali particelle vengono accelerate, e quali processi li stanno spingendo a queste velocità estreme, per capire di più sull'Universo. Holder ha detto che sebbene i sistemi binari di raggi gamma probabilmente non accelerino gran parte delle particelle nella nostra galassia, consentono agli scienziati di studiare il tipo di meccanismi di accelerazione che potrebbero produrli.

Tracciare un futuro promettente

Gli astronomi non saranno in grado di vedere di nuovo questo sistema binario al lavoro fino al 2067, quando le due stelle saranno di nuovo vicine. Per allora, Williamson ha scherzato dicendo che potrebbe essere un professore emerito con del tempo a disposizione.

Al momento, Williamson non è preoccupato di rimanere senza cose da fare. Ha trascorso tre mesi all'osservatorio con sede in Arizona all'inizio di quest'anno, prendere le misure, eseguire la manutenzione dell'hardware e ideare un telecomando per consentire ai ricercatori di accendere le telecamere del telescopio da un computer all'interno di una sala di controllo.

"È stata un'ottima occasione per passare del tempo pratico con i telescopi e conoscere lo strumento, " ha detto Williamson.

Andando avanti, passerà il resto dei suoi studi di dottorato a setacciare e analizzare in modo più dettagliato le quasi 175 ore di dati raccolti dai telescopi VERITAS nel 2016 e 2017.

"Tiler è, senza dubbio, lo studente laureato più fortunato che abbia mai incontrato perché questo evento che accade solo una volta ogni 50 anni, una delle cose più emozionanti che abbiamo visto con i nostri telescopi in un decennio, si è verificato proprio nel bel mezzo del suo lavoro di dottorato, " disse Titolare.