Quanto velocemente può una stella di neutroni lanciare potenti getti nello spazio? La risposta, a quanto pare, è circa un terzo della velocità della luce, come ha appena rivelato il nostro team in un nuovo studio pubblicato su Nature .
Raggi cosmici energetici conosciuti come getti sono visibili in tutto il nostro universo. Vengono lanciati quando il materiale, principalmente polvere e gas, cade verso un oggetto centrale denso, come una stella di neutroni (un residuo estremamente denso di una stella un tempo massiccia) o un buco nero.
I getti trasportano parte dell'energia gravitazionale rilasciata dal gas in caduta, riciclandola nell'ambiente circostante su scale molto più grandi.
I getti più potenti dell'universo provengono dai più grandi buchi neri al centro delle galassie. L'energia emessa da questi getti può influenzare l'evoluzione di un'intera galassia, o anche di un ammasso di galassie. Ciò rende i jet una componente critica, ma allo stesso tempo intrigante, del nostro universo.
Sebbene i jet siano comuni, non comprendiamo ancora del tutto come vengono lanciati. La misurazione dei getti di una stella di neutroni ci ha ora fornito informazioni preziose.
I getti dei buchi neri tendono ad essere luminosi e sono stati ben studiati. Tuttavia, i getti delle stelle di neutroni sono in genere molto più deboli e si sa molto meno su di loro.
Ciò rappresenta un problema, poiché possiamo imparare molto confrontando i getti lanciati da diversi oggetti celesti. Le stelle di neutroni sono cadaveri stellari estremamente densi:ceneri cosmiche delle dimensioni di una città, ma contenenti la massa di una stella. Possiamo immaginarli come enormi nuclei atomici, ciascuno di circa 20 chilometri di diametro.
A differenza dei buchi neri, le stelle di neutroni hanno sia una superficie solida che un campo magnetico, e il gas che cade su di esse rilascia meno energia gravitazionale. Tutte queste proprietà avranno un effetto sul modo in cui verranno lanciati i getti, rendendo gli studi sui getti delle stelle di neutroni particolarmente preziosi.
Un indizio fondamentale su come vengono lanciati i jet deriva dalla loro velocità. Se riuscissimo a determinare come variano le velocità dei getti con la massa o la rotazione della stella di neutroni, ciò fornirebbe un potente test per le previsioni teoriche. Ma è estremamente difficile misurare le velocità dei getti con sufficiente precisione per un test del genere.
Quando misuriamo la velocità sulla Terra, cronometramo un oggetto tra due punti. Potrebbe trattarsi di un velocista di 100 metri che corre lungo la pista o di un autovelox punto a punto che segue un'auto.
Il nostro team, guidato da Thomas Russell dell'Istituto Nazionale di Astrofisica di Palermo, ha condotto un nuovo esperimento per farlo con i getti di stelle di neutroni.
Ciò che ha reso questa misurazione così difficile in passato è che i getti sono flussi costanti. Ciò significa che non esiste un unico punto di partenza per il nostro timer. Ma siamo riusciti a identificare un segnale di breve durata alle lunghezze d'onda dei raggi X che potremmo utilizzare come "pistola di partenza".
Essendo così dense, le stelle di neutroni possono "rubare" materia da una stella compagna orbitante vicina. Mentre una parte di quel gas viene lanciata verso l’esterno sotto forma di getti, la maggior parte finisce per cadere sulla stella di neutroni. Man mano che il materiale si accumula, diventa più caldo e più denso.
Quando si è accumulato abbastanza materiale, si innesca un'esplosione termonucleare. Si verifica una reazione di fusione nucleare fuori controllo che si diffonde rapidamente fino a inghiottire l'intera stella. La fusione dura da pochi secondi a minuti, provocando un'esplosione di raggi X di breve durata.
Pensavamo che questa esplosione termonucleare avrebbe interrotto i getti della stella di neutroni. Quindi, abbiamo utilizzato l'Australia Telescope Compact Array di CSIRO per fissare i getti per tre giorni alle lunghezze d'onda radio per cercare di catturare l'interruzione. Allo stesso tempo, abbiamo utilizzato il telescopio Integral dell'Agenzia spaziale europea per osservare i raggi X provenienti dal sistema.
Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che i getti diventavano più luminosi dopo ogni impulso di raggi X. Invece di interrompere i getti, le esplosioni termonucleari sembravano potenziarli. E questo schema è stato ripetuto dieci volte in un sistema di stelle di neutroni, e poi di nuovo in un secondo sistema.
Possiamo spiegare questo risultato sorprendente se l'impulso di raggi X fa sì che il gas che vortica intorno alla stella di neutroni cada verso l'interno più rapidamente. Questo, a sua volta, fornisce più energia e materiale da deviare nei getti.
Ma la cosa più importante è che possiamo usare il lampo di raggi X per indicare l’ora di lancio dei jet. Abbiamo cronometrato il tempo impiegato per spostarsi verso l'esterno fino a diventare visibili a due diverse lunghezze d'onda radio. Questi punti di partenza e di arrivo ci hanno fornito il nostro autovelox cosmico.
È interessante notare che la velocità del getto che abbiamo misurato era vicina alla “velocità di fuga” da una stella di neutroni. Sulla Terra, questa velocità di fuga è di 11,2 chilometri al secondo:ciò che i razzi devono raggiungere per liberarsi dalla gravità terrestre. Per una stella di neutroni, quel valore è circa la metà della velocità della luce.
Il nostro lavoro ha introdotto una nuova tecnica per misurare la velocità dei getti delle stelle di neutroni. Il nostro prossimo passo sarà vedere come cambia la velocità del getto per stelle di neutroni con masse e velocità di rotazione diverse. Ciò ci consentirà di testare direttamente modelli teorici, avvicinandoci ulteriormente alla comprensione di come vengono lanciati getti cosmici così potenti.
Ulteriori informazioni: Thomas D. Russell et al, Le esplosioni termonucleari sulle stelle di neutroni rivelano la velocità dei loro getti, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07133-5
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito da The Conversation
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