Una pulsar vedova nera e la sua piccola compagna stellare, visti all'interno del loro piano orbitale. La potente radiazione e il “vento” della pulsar – un deflusso di particelle ad alta energia – riscaldano fortemente il lato rivolto verso la stella a temperature due volte più alte della superficie del sole. La pulsar sta gradualmente evaporando il suo partner, che riempie il sistema di gas ionizzato e impedisce agli astronomi di rilevare il raggio radio della pulsar per la maggior parte del tempo. Credito:Goddard Space Flight Center/Cruz deWilde della NASA
Un team di ricerca internazionale guidato dal Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) di Hannover ha scoperto che anche la radio pulsar J0952-0607 emette radiazioni gamma pulsate. J0952-0607 ruota 707 volte in un secondo ed è il secondo nella lista delle stelle di neutroni in rapida rotazione. Analizzando circa 8,5 anni di dati dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA, Osservazioni radio LOFAR degli ultimi due anni, osservazioni da due grandi telescopi ottici, e dati di onde gravitazionali dai rivelatori LIGO, il team ha utilizzato un approccio multi-messaggero per studiare in dettaglio il sistema binario della pulsar e il suo compagno leggero. Il loro studio pubblicato su Giornale Astrofisico mostra che sistemi di pulsar estremi si nascondono nei cataloghi Fermi e motiva ulteriori ricerche. Nonostante sia molto esteso, l'analisi solleva anche nuove domande senza risposta su questo sistema.
Le pulsar sono i resti compatti di esplosioni stellari che hanno forti campi magnetici e ruotano rapidamente. Emettono radiazioni come un faro cosmico e possono essere osservabili come pulsar radio e/o pulsar a raggi gamma a seconda del loro orientamento verso la Terra.
La pulsar più veloce al di fuori degli ammassi globulari
PSR J0952-0607 (il nome indica la posizione nel cielo) è stato scoperto per la prima volta nel 2017 da osservazioni radio di una sorgente identificata dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi come possibile pulsar. Nessuna pulsazione dei raggi gamma nei dati del Large Area Telescope (LAT) a bordo di Fermi era stata rilevata. Le osservazioni con l'array di radiotelescopi LOFAR hanno identificato una radiosorgente pulsante e, insieme alle osservazioni del telescopio ottico, hanno permesso di misurare alcune proprietà della pulsar. Sta orbitando attorno al comune centro di massa in 6,2 ore con una stella compagna che pesa solo un cinquantesimo del nostro Sole. La pulsar ruota 707 volte in un solo secondo ed è quindi la rotazione più veloce nella nostra Galassia al di fuori dei densi ambienti stellari degli ammassi globulari.
Ricerca di segnali estremamente deboli
Utilizzando queste informazioni preliminari sul sistema pulsar binario, Lars Nieder, un dottorato di ricerca studente presso l'AEI Hannover, deciso di vedere se la pulsar emettesse anche raggi gamma pulsati. "Questa ricerca è estremamente impegnativa perché il telescopio a raggi gamma Fermi ha registrato solo l'equivalente di circa 200 raggi gamma dalla debole pulsar negli 8,5 anni di osservazioni. Durante questo periodo la pulsar stessa ha ruotato 220 miliardi di volte. In altre parole, solo una volta ogni miliardo di rotazioni è stato osservato un raggio gamma!" spiega Nieder. "Per ciascuno di questi raggi gamma, la ricerca deve identificare esattamente quando durante ciascuna delle rotazioni di 1,4 millisecondi è stata emessa."
Ciò richiede di esaminare i dati con una risoluzione molto fine per non perdere nessun possibile segnale. La potenza di calcolo richiesta è enorme. La ricerca molto sensibile di deboli pulsazioni di raggi gamma avrebbe richiesto 24 anni per essere completata su un singolo nucleo di computer. Utilizzando il cluster di computer Atlas presso l'AEI di Hannover è finito in soli 2 giorni.
Uno strano primo rilevamento
"La nostra ricerca ha trovato un segnale, ma qualcosa non andava! Il segnale era molto debole e non esattamente dove doveva essere. Il motivo:la nostra rilevazione dei raggi gamma da J0952-0607 aveva rivelato un errore di posizione nelle osservazioni iniziali del telescopio ottico che abbiamo usato per indirizzare la nostra analisi. La nostra scoperta delle pulsazioni dei raggi gamma ha rivelato questo errore, " spiega Nieder. "Questo errore è stato corretto nella pubblicazione che riportava la scoperta della pulsar radio. Una nuova ed estesa ricerca di raggi gamma ha fatto una scoperta piuttosto debole, ma statisticamente significativa, di pulsar di raggi gamma nella posizione corretta".
Avendo scoperto e confermato l'esistenza di radiazioni gamma pulsate dalla pulsar, il team è tornato ai dati di Fermi e ha utilizzato tutti gli 8,5 anni da agosto 2008 a gennaio 2017 per determinare i parametri fisici della pulsar e del suo sistema binario. Poiché la radiazione gamma di J0952-0607 era così debole, hanno dovuto migliorare il loro metodo di analisi sviluppato in precedenza per includere correttamente tutte le incognite.
Il profilo dell'impulso (distribuzione dei fotoni gamma durante una rotazione della pulsar) di J0952-0607 è mostrato in alto. Di seguito è riportata la corrispondente distribuzione dei singoli fotoni nei dieci anni di osservazione. La scala di grigi mostra la probabilità (pesi dei fotoni) che i singoli fotoni abbiano origine dalla pulsar. Dalla metà del 2011 in poi, i fotoni si allineano lungo le tracce corrispondenti al profilo dell'impulso. Questo mostra il rilevamento delle pulsazioni di raggi gamma, che non è possibile prima della metà del 2011. Credito:L. Nieder/Max Planck Institute for Gravitational Physics
Un'altra sorpresa:nessuna pulsazione di raggi gamma prima di luglio 2011
La soluzione derivata conteneva un'altra sorpresa, perché era impossibile rilevare le pulsazioni dei raggi gamma dalla pulsar nei dati precedenti al luglio 2011. La ragione per cui la pulsar sembra mostrare pulsazioni solo dopo quella data è sconosciuta. Le variazioni nella quantità di raggi gamma emessi potrebbero essere una delle ragioni, ma la pulsar è così debole che non è stato possibile verificare questa ipotesi con sufficiente accuratezza. Anche i cambiamenti nell'orbita della pulsar osservati in sistemi simili potrebbero offrire una spiegazione, ma non c'era nemmeno un indizio nei dati che ciò stesse accadendo.
Le osservazioni ottiche sollevano ulteriori domande
Il team ha anche utilizzato le osservazioni con il New Technology Telescope dell'ESO a La Silla e il Gran Telescopio Canarias a La Palma per esaminare la stella compagna della pulsar. È molto probabilmente agganciato alla pulsar come la Luna e la Terra, così che un lato è sempre rivolto verso la pulsar e viene riscaldato dalla sua radiazione. Mentre il compagno orbita attorno al centro di massa del sistema binario, il suo lato "giorno" caldo e il lato "notte" più freddo sono visibili dalla Terra e la luminosità e il colore osservati variano.
Queste osservazioni creano un altro enigma. Mentre le osservazioni radio indicano una distanza di circa 4, 400 anni luce alla pulsar, le osservazioni ottiche implicano una distanza circa tre volte maggiore. Se il sistema fosse relativamente vicino alla Terra, sarebbe caratterizzato da un compagno ad alta densità estremamente compatto mai visto prima, mentre distanze maggiori sono compatibili con le densità di note compagne pulsar simili. Una spiegazione per questa discrepanza potrebbe essere l'esistenza di onde d'urto nel vento di particelle provenienti dalla pulsar, che potrebbe portare ad un diverso riscaldamento del compagno. Ulteriori osservazioni di raggi gamma con le osservazioni LAT di Fermi dovrebbero aiutare a rispondere a questa domanda.
Alla ricerca di onde gravitazionali continue
Un altro gruppo di ricercatori dell'AEI di Hannover ha cercato l'emissione continua di onde gravitazionali dalla pulsar utilizzando i dati LIGO del primo (O1) e del secondo (O2) giro di osservazione. Le pulsar possono emettere onde gravitazionali quando hanno piccole colline o protuberanze. La ricerca non ha rilevato alcuna onda gravitazionale, il che significa che la forma della pulsar deve essere molto vicina a una sfera perfetta con i dossi più alti inferiori a una frazione di millimetro.
Stelle di neutroni in rapida rotazione
Comprendere le pulsar in rapida rotazione è importante perché sono sonde di fisica estrema. La velocità con cui le stelle di neutroni possono ruotare prima di separarsi dalle forze centrifughe è sconosciuta e dipende da una fisica nucleare sconosciuta. Le pulsar al millisecondo come J0952-0607 ruotano così rapidamente perché sono state fatte ruotare dall'accrescimento di materia dalla loro compagna. Si pensa che questo processo seppellisca il campo magnetico della pulsar. Con le osservazioni di raggi gamma a lungo termine, il team di ricerca ha mostrato che J0952-0607 ha uno dei dieci campi magnetici più bassi mai misurati per una pulsar, coerente con le aspettative della teoria.
"Continueremo a studiare questo sistema con i raggi gamma, Radio, e osservatori ottici poiché ci sono ancora domande senza risposta a riguardo. Questa scoperta mostra anche ancora una volta che i sistemi di pulsar estremi si nascondono nel catalogo Fermi LAT, "dice il prof. Bruce Allen, Ph.D. di Nieder supervisore e Direttore presso l'AEI Hannover. "Stiamo anche impiegando il nostro progetto di calcolo distribuito della scienza dei cittadini Einstein@Home per cercare sistemi di pulsar a raggi gamma binari in altre sorgenti Fermi LAT e siamo fiduciosi di fare scoperte più interessanti in futuro".
