Un team di ricercatori guidato dai membri del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) ha analizzato i dati raccolti in precedenza per dedurre la vera natura di un oggetto compatto, che si è scoperto essere una magnetar rotante, un tipo di stella di neutroni con un campo magnetico estremamente forte, in orbita all'interno di LS 5039, il sistema binario di raggi gamma più brillante della Galassia.

Compreso l'ex studente laureato Hiroki Yoneda, Lo scienziato senior Kazuo Makishima e il ricercatore principale Tadayuki Takahashi presso il Kavli IMPU, il team suggerisce anche che il processo di accelerazione delle particelle noto che si verifica all'interno di LS 5039 è causato dalle interazioni tra i densi venti stellari della sua stella massiccia primaria, e campi magnetici ultra-forti della magnetar rotante.

Le binarie gamma sono un sistema di massicci, stelle ad alta energia e stelle compatte. Sono stati scoperti solo di recente, nel 2004, quando sono diventate possibili osservazioni di raggi gamma ad altissima energia nella banda dei teraelettronvolt (TeV) da regioni sufficientemente grandi del cielo. Se visto con luce visibile, le binarie gamma appaiono come luminose stelle bianco-bluastre, e sono indistinguibili da qualsiasi altro sistema binario che ospita una stella massiccia. Però, se osservato con raggi X e raggi gamma, le loro proprietà sono notevolmente diverse da quelle di altri binari. In queste fasce energetiche, i normali sistemi binari sono completamente invisibili, ma le binarie a raggi gamma producono un'intensa emissione non termica, e la loro intensità sembra aumentare e diminuire secondo i loro periodi orbitali da diversi giorni a diversi anni.

Una volta che le binarie di raggi gamma furono stabilite come una nuova classe astrofisica, si è subito capito che in essi doveva operare un meccanismo di accelerazione estremamente efficiente. Mentre l'accelerazione delle particelle di TeV richiede decine di anni nei resti di supernova, che sono famosi acceleratori cosmici, Le binarie a raggi gamma aumentano l'energia degli elettroni oltre 1 TeV in poche decine di secondi. Le binarie gamma possono quindi essere considerate uno degli acceleratori di particelle più efficienti dell'Universo.

Inoltre, è noto che alcune binarie di raggi gamma emettono forti raggi gamma con energie di diversi megaelettronvolt (MeV). I raggi gamma in questa banda sono attualmente difficili da osservare; sono stati rilevati solo da circa 30 corpi celesti in tutto il cielo. Ma il fatto che tali binari emettano forti radiazioni anche in questa banda di energia aumenta notevolmente il mistero che li circonda, e indica un processo di accelerazione delle particelle estremamente efficace in corso al loro interno.

Finora sono stati trovati nella Galassia circa 10 binari di raggi gamma, rispetto a più di 300 binari di raggi X noti per l'esistenza. Perché i binari di raggi gamma sono così rari è sconosciuto, e, infatti, qual è la vera natura del loro meccanismo di accelerazione, è stato un mistero, fino ad ora.

Attraverso studi precedenti, era già chiaro che una binaria di raggi gamma è generalmente costituita da una stella primaria massiccia che pesa 20-30 volte la massa del Sole, e una stella compagna che deve essere una stella compatta, ma non era chiaro, in molti casi, se la stella compatta è un buco nero o una stella di neutroni. Il team di ricerca ha iniziato il suo tentativo di capire quale è generalmente il caso.

Una delle prove più dirette della presenza di una stella di neutroni è il rilevamento di pulsazioni veloci periodiche, che sono legati alla rotazione della stella di neutroni. Il rilevamento di tale pulsazione da un binario di raggi gamma scarta quasi senza dubbio lo scenario del buco nero.

In questo progetto, il team si è concentrato su LS 5039, scoperto nel 2005, e mantiene ancora la sua posizione di binario di raggi gamma più brillante nella gamma dei raggi X e dei raggi gamma. Infatti, si pensava che questa binaria di raggi gamma contenesse una stella di neutroni a causa della sua stabile radiazione di raggi X e di raggi gamma TeV. Però, fino ad ora, i tentativi di rilevare tali impulsi erano stati condotti con onde radio e raggi X molli, e poiché le onde radio e i raggi X molli sono influenzati dai venti stellari della stella primaria, il rilevamento di tali impulsi periodici non aveva avuto successo.

Questa volta, per la prima volta, il team si è concentrato sulla banda radiografica dura (> 10 keV) e dati di osservazione da LS 5039 raccolti dal rivelatore di raggi X duri (HXD) a bordo dei telescopi spaziali Suzaku (tra il 9 e il 15 settembre 2007) e NuSTAR (tra il 1 e il 5 settembre, 2016) - anzi, il periodo di osservazione di Suzaku di sei giorni è stato il più lungo mai utilizzato con raggi X duri.

Entrambe le osservazioni, mentre sono separati da nove anni, ha fornito la prova di una stella di neutroni al centro di LS 5039:il segnale periodico proveniente da Suzaku con un periodo di circa 9 secondi. La probabilità che questo segnale derivi da fluttuazioni statistiche è solo dello 0,1 percento. NuSTAR ha anche mostrato un segnale di impulso molto simile, sebbene il significato dell'impulso fosse inferiore:i dati NuSTAR, ad esempio, era solo provvisorio. Combinando questi risultati, è stato anche dedotto che il periodo di rotazione aumenta di 0,001 s ogni anno.

Sulla base del periodo di spin derivato e della velocità del suo aumento, il team ha escluso gli scenari basati sulla rotazione e sull'accrescimento, e ha scoperto che l'energia magnetica della stella di neutroni è l'unica fonte di energia che può alimentare LS 5039. Il campo magnetico richiesto raggiunge 10 ¹¹ T, che è 3 ordini di grandezza superiori a quelli delle tipiche stelle di neutroni. Questo valore si trova tra le cosiddette magnetar, una sottoclasse di stelle di neutroni che hanno un campo magnetico così forte. Il periodo di impulso di 9 secondi è tipico delle magnetar, e questo forte campo magnetico impedisce che il vento stellare della stella primaria venga catturato da una stella di neutroni, che può spiegare perché LS 5039 non mostra proprietà simili alle pulsar a raggi X (le pulsar a raggi X di solito si verificano nei sistemi binari a raggi X, dove i venti stellari sono catturati dalla sua stella compagna).

interessante, le 30 magnetar che sono state trovate finora sono state tutte trovate come stelle isolate, quindi la loro esistenza nelle binarie a raggi gamma non era considerata un'idea mainstream. Oltre a questa nuova ipotesi, il team suggerisce una fonte che alimenta l'emissione non termica all'interno di LS 5039:propongono che l'emissione sia causata da un'interazione tra i campi magnetici della magnetar e i densi venti stellari. Infatti, i loro calcoli suggeriscono che i raggi gamma con energie di diversi megaelettronvolt, che non è stato chiaro, possono essere fortemente emessi se sono prodotti in una regione di un campo magnetico estremamente forte, vicino a una magnetar.

Questi risultati potenzialmente risolvono il mistero sulla natura dell'oggetto compatto all'interno di LS 5039, e il meccanismo sottostante che alimenta il sistema binario. Però, sono necessarie ulteriori osservazioni e perfezionamento della loro ricerca per gettare nuova luce sui loro risultati.