Osservazioni di PSR J1826-1256 – una pulsar a raggi gamma radio quiet – ottenute con l'osservatorio a raggi X XMM-Newton dell'ESA. Gli scienziati hanno scoperto l'emissione pulsata di raggi X da questa e da due sorgenti simili utilizzando un modello teorico che prevede la luminosità dei raggi X non termici di una pulsar sulla base della luminosità dei raggi gamma osservata. Questa pulsar ha un periodo di 110,2 millisecondi, appare alternativamente più debole e più luminoso mentre i suoi raggi di radiazione puntano verso e lontano dalla Terra. A scopo illustrativo, lo sfarfallio della pulsar è mostrato 10 volte più lento di quello reale in questa vista animata. Credito:ESA/XMM-Newton/J. Li, DESY, Germania
Sulla base di un nuovo modello teorico, un team di scienziati ha esplorato il ricco archivio di dati degli osservatori spaziali XMM-Newton dell'ESA e Chandra della NASA per trovare emissioni pulsanti di raggi X da tre fonti. La scoperta, basandosi su precedenti osservazioni di raggi gamma delle pulsar, fornisce un nuovo strumento per investigare i misteriosi meccanismi dell'emissione di pulsar, che sarà importante per comprendere questi affascinanti oggetti e utilizzarli per la navigazione spaziale in futuro.
Fari dell'Universo, Le pulsar sono stelle di neutroni a rotazione rapida che emettono fasci di radiazioni. Mentre le pulsar ruotano e i raggi puntano alternativamente verso e lontano dalla Terra, la sorgente oscilla tra stati più luminosi e più deboli, risultando in un segnale che sembra "pulsare" ogni pochi millisecondi in secondi, con una regolarità che rivaleggia anche con gli orologi atomici.
Le pulsar sono incredibilmente dense, estremamente magnetico, reliquie di stelle massicce, e sono tra gli oggetti più estremi dell'Universo. Capire come si comportano le particelle in un campo magnetico così forte è fondamentale per capire come interagiscono materia e campi magnetici più in generale.
Originariamente rilevate attraverso la loro emissione radio, è ormai noto che le pulsar emettono anche altri tipi di radiazioni, anche se in genere in quantità minori. Alcune di queste emissioni sono radiazioni termiche standard, il tipo che emette qualsiasi cosa con una temperatura superiore allo zero assoluto. Le pulsar rilasciano radiazioni termiche quando accumulano materia, per esempio da un'altra stella.
Ma le pulsar emettono anche radiazioni non termiche, come spesso si produce negli ambienti cosmici più estremi. Nelle pulsar, la radiazione non termica può essere creata attraverso due processi:emissione di sincrotrone ed emissione di curvatura. Entrambi i processi implicano l'accelerazione di particelle cariche lungo le linee del campo magnetico, inducendoli a irradiare luce che può variare in lunghezza d'onda dalle onde radio ai raggi gamma.
I raggi X non termici derivano principalmente dall'emissione di sincrotrone, mentre i raggi gamma possono provenire dalla cosiddetta emissione di sincro-curvatura, una combinazione dei due meccanismi. È relativamente facile trovare pulsar che irradiano raggi gamma:il telescopio spaziale Fermi Gamma-Ray della NASA ne ha rilevate più di 200 nell'ultimo decennio, grazie alla sua capacità di scansionare tutto il cielo. Ma solo una ventina è stata trovata pulsare nei raggi X non termici.
"A differenza degli strumenti di rilevamento dei raggi gamma, Ai telescopi a raggi X deve essere detto esattamente dove puntare, quindi dobbiamo fornire loro una sorta di guida, "dice Diego Torres, dell'Istituto di Scienze Spaziali di Barcellona, Spagna.
Consapevole del fatto che dovrebbero esserci molte pulsar che emettono raggi X non termici non rilevati in precedenza, Torres ha sviluppato un modello che combinava sincrotrone e radiazione di curvatura per prevedere se le pulsar rilevate nei raggi gamma potessero apparire anche nei raggi X.
"I modelli scientifici descrivono fenomeni che non possono essere sperimentati direttamente, " spiega Torres.
"Questo modello in particolare aiuta a spiegare i processi di emissione nelle pulsar e può essere utilizzato per prevedere l'emissione di raggi X che dovremmo osservare, sulla base della nota emissione di raggi gamma."
Il modello descrive l'emissione di raggi gamma delle pulsar rilevate da Fermi - in particolare, la luminosità osservata a diverse lunghezze d'onda e combina queste informazioni con tre parametri che determinano l'emissione della pulsar. Ciò consente una previsione della loro luminosità ad altre lunghezze d'onda, per esempio nei raggi X.
Emissione di raggi X e gamma osservata da tre pulsar:J1747-2958 (a sinistra), J2021+3651 (centro), e J1826-1256 (a destra). L'emissione pulsata di raggi X è stata scoperta utilizzando un modello teorico che prevede la luminosità dei raggi X non termici di una pulsar sulla base della luminosità dei raggi gamma osservata. Le osservazioni dei raggi gamma provengono dal Fermi Gamma-Ray Space Telescope della NASA; le osservazioni a raggi X provengono dall'osservatorio a raggi X Chandra della NASA (a sinistra e al centro) e dall'osservatorio a raggi X XMM-Newton dell'ESA (a destra). La curva rossa nei grafici rappresenta il miglior adattamento del modello che descrive l'emissione complessiva delle sorgenti rispetto ai dati osservati (simboli neri). Nella riga superiore, l'adattamento è stato eseguito utilizzando solo i dati dei raggi gamma:il valore nell'intervallo di energia dei raggi X rappresenta la previsione teorica, che è abbastanza vicino a quanto è stato poi rivelato nelle osservazioni. Nella riga inferiore, l'adattamento include anche i dati radiografici, fornendo una descrizione più accurata del fenomeno utilizzando lo stesso modello. Credito:adattato da J. Li et al. (2018)
Torres ha collaborato con un team di scienziati, guidato da Jian Li del Deutsches Elektronen Synchrotron di Zeuthen vicino a Berlino, Germania, per selezionare tre pulsar che emettono raggi gamma noti che si aspettavano, in base al modello, brillare brillantemente anche ai raggi X. Hanno scavato negli archivi di dati dell'XMM-Newton dell'ESA e degli osservatori a raggi X Chandra della NASA per cercare prove di emissione di raggi X non termici da ciascuno di essi.
"Non solo abbiamo rilevato pulsazioni a raggi X da tutte e tre le pulsar, ma abbiamo anche scoperto che lo spettro dei raggi X era quasi lo stesso di quello previsto dal modello, " spiega Li.
"Ciò significa che il modello descrive in modo molto accurato i processi di emissione all'interno di una pulsar".
In particolare, I dati di XMM-Newton hanno mostrato una chiara emissione di raggi X da PSR J1826-1256, una pulsar a raggi gamma silenziosa con un periodo di 110,2 millisecondi. Lo spettro di luce ricevuto da questa pulsar era molto vicino a quello previsto dal modello. Emissione di raggi X dalle altre due pulsar, che ruotano entrambi leggermente più velocemente, è stato rivelato utilizzando i dati di Chandra.
Questa scoperta rappresenta già un aumento significativo del numero totale di pulsar note per emettere raggi X non termici. Il team prevede che molti altri verranno scoperti nei prossimi anni poiché il modello può essere utilizzato per capire dove esattamente cercarli.
Trovare più pulsar a raggi X è importante per rivelare le loro proprietà globali, comprese le caratteristiche della popolazione. Una migliore comprensione delle pulsar è anche essenziale per sfruttare potenzialmente i loro precisi segnali di temporizzazione per futuri sforzi di navigazione spaziale.
Il risultato è un passo verso la comprensione delle relazioni tra l'emissione delle pulsar nelle diverse parti dello spettro elettromagnetico, consentendo un modo affidabile per prevedere la luminosità di una pulsar a una data lunghezza d'onda. Questo ci aiuterà a comprendere meglio l'interazione tra particelle e campi magnetici nelle pulsar e oltre.
"Questo modello può fare previsioni accurate sull'emissione di raggi X delle pulsar, e può anche prevedere l'emissione ad altre lunghezze d'onda, ad esempio visibile e ultravioletto, "Continua Torres.
"Nel futuro, speriamo di trovare nuove pulsar che portino a una migliore comprensione delle loro proprietà globali".
Lo studio mette in evidenza i vantaggi del vasto archivio di dati di XMM-Newton per fare nuove scoperte e mette in mostra le straordinarie capacità della missione di rilevare fonti relativamente deboli. Il team non vede l'ora di utilizzare la prossima generazione di telescopi spaziali a raggi X, compresa la futura missione Athena dell'ESA, per trovare ancora più pulsar che emettono raggi X non termici.
"Come fiore all'occhiello dell'astronomia a raggi X europea, XMM-Newton sta rilevando più sorgenti di raggi X rispetto a qualsiasi satellite precedente. È incredibile vedere che sta aiutando a risolvere così tanti misteri cosmici, " conclude Norbert Schartel, XMM-Newton Project Scientist presso l'ESA.
