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La missione Fermi della NASA rileva 300 pulsar a raggi gamma… e oltre

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Un nuovo catalogo prodotto da un team internazionale di astronomi guidato dalla Francia mostra che quello della NASA Telescopio spaziale a raggi gamma Fermi ne ha scoperti 294 pulsar che emettono raggi gamma, mentre altri 34 indagati attendono conferma. Si tratta di 27 volte il numero noto prima della missione lanciata nel 2008.

“Le pulsar toccano una vasta gamma di ricerche astrofisiche, dai raggi cosmici e l’evoluzione stellare alla ricerca delle onde gravitazionali e della materia oscura”, ha affermato il coordinatore dello studio David Smith, direttore della ricerca presso l’Università di Los Angeles. Laboratorio di astrofisica di Bordeaux nella Gironda, in Francia, di cui fa parte CNRS (Centro nazionale francese per la ricerca scientifica). “Questo nuovo catalogo raccoglie informazioni complete su tutte le pulsar di raggi gamma conosciute per promuovere nuove strade di esplorazione”.

Il catalogo è stato pubblicato su The Astrophysical Journal Supplement.

Le pulsar sono un tipo di stella di neutroni, i resti grandi quanto una città di un enorme sole che è esploso come una supernova. Rappresentano le stelle di neutroni, che contengono più massa del nostro Sole in una palla larga meno di 17 miglia la materia più densa che gli astronomi possono studiare direttamente. Possiedono forti campi magnetici, producono flussi di particelle energetiche e ruotano rapidamente – 716 volte al secondo per il più veloce conosciuto. Le pulsar, inoltre, emettono stretti fasci di energia che oscillano come un faro attraverso lo spazio mentre gli oggetti ruotano. Quando uno di questi raggi sfiora la Terra, gli astronomi rilevano un impulso di emissione.

Il nuovo catalogo rappresenta il lavoro di 170 scienziati in tutto il mondo. Una dozzina di radiotelescopi monitorano regolarmente migliaia di pulsar e i radioastronomi cercano nuove pulsar all’interno delle sorgenti di raggi gamma scoperte da Fermi. Altri ricercatori hanno individuato pulsar di raggi gamma che non hanno controparti radio attraverso milioni di ore di calcoli al computer, un processo chiamato ricerca cieca.

Delle 3.400 pulsar conosciute, la maggior parte osservate tramite onde radio e situate nella nostra galassia, la Via Lattea, solo il 10% circa pulsa anche nei raggi gamma, la forma di luce a più alta energia. La luce visibile ha energie comprese tra 2 e 3 elettronvolt. Il Large Area Telescope di Fermi può rilevare raggi gamma con miliardi di volte questa energia, e altre strutture hanno osservato emissioni migliaia di volte ancora più grande dalla vicina pulsar Velala sorgente persistente più luminosa nel cielo per Fermi.

La pulsar Vela e i suoi fratello famoso nella Nebulosa del Granchio sono oggetti giovani e solitari, formati rispettivamente circa 11.000 e 970 anni fa. Le loro emissioni si verificano quando i loro campi magnetici ruotano nello spazio, ma questo rallenta gradualmente anche la loro rotazione. La pulsar più giovane del Granchio gira quasi 30 volte al secondo, mentre Vela ha una velocità pari a circa un terzo.

Paradossalmente, però, le pulsar migliaia di volte più vecchie ruotano molto più velocemente. Un esempio di queste cosiddette pulsar millisecondo (MSP) è J1824-2452A. Gira 328 volte al secondo e, con un’età di circa 30 milioni di anni, è tra gli MSP più giovani conosciuti.

Grazie ad un’ottima combinazione di luminosità dei raggi gamma e rallentamento graduale della rotazione, l’MSP J1231-1411 è un “timer” ideale per l’uso nelle ricerche di onde gravitazionali. Monitorando una raccolta di MSP stabili, gli astronomi sperano di collegare i cambiamenti temporali al passaggio onde gravitazionali a bassa frequenza – increspature nello spazio-tempo – che non possono essere rilevate dagli attuali osservatori gravitazionali. È stato scoperto in una delle prime ricerche radio mirate a sorgenti di raggi gamma Fermi non associate a nessuna controparte conosciuta ad altre lunghezze d’onda, una tecnica che si è rivelata eccezionalmente efficace.

“Prima di Fermi, non sapevamo se gli MSP sarebbero stati visibili ad alte energie, ma si è scoperto che si irradiano principalmente in raggi gamma e ora costituiscono metà del nostro catalogo”, ha affermato il coautore Lucas Guillemot, astronomo associato presso IL Laboratorio di Fisica e Chimica dell’Ambiente e dello Spazio e l’Università di Orleans, in Francia.

La presenza di MSP nei sistemi binari offre un indizio per comprendere il paradosso dell’età. Lasciata a se stessa, le emissioni di una pulsar la rallentano e con una rotazione più lenta le sue emissioni si attenuano. Ma se accoppiata strettamente con una stella normale, la pulsar può estrarre un flusso di materia dalla sua compagna che, nel tempo, può far girare la pulsar.

I sistemi “Spider” offrono uno sguardo su ciò che accadrà dopo. Sono classificati come redbacks o vedove nere – prende il nome dai ragni noti per consumare i loro compagni. Le vedove nere hanno compagni leggeri (meno del 5% circa della massa del Sole), mentre le vedove rosse hanno compagni più pesanti. Man mano che la pulsar inizia a girare, le sue emissioni e i deflussi di particelle diventano così rinvigoriti che, attraverso processi ancora poco compresi, riscalda ed evapora lentamente la sua compagna. I ragni più energici possono far evaporare completamente i loro partner, lasciando dietro di sé solo un MSP isolato.

J1555-2908 è una vedova nera con una sorpresa: la sua rete gravitazionale potrebbe aver intrappolato un pianeta di passaggio. Un’analisi di 12 anni di dati Fermi rivela variazioni di spin a lungo termine molto più ampie di quelle osservate in altri MSP. “Pensiamo che un modello che incorpora il pianeta come un terzo corpo in un’ampia orbita attorno alla pulsar e alla sua compagna descriva i cambiamenti un po’ meglio di altre spiegazioni, ma abbiamo bisogno di qualche anno in più di osservazioni di Fermi per confermarlo”, ha detto il co-autore. l’autore Colin Clark, leader del gruppo di ricerca presso il Istituto Max Planck per la fisica gravitazionale ad Hannover, in Germania.

Altri binari curiosi includono il cosiddetto pulsar di transizione, come J1023+0038, il primo identificato. Un flusso irregolare di gas che scorre dalla compagna alla stella di neutroni può aumentare, formando improvvisamente un disco attorno alla pulsar che può persistere per anni. Il disco brilla intensamente alla luce ottica, ai raggi X e ai raggi gamma, ma gli impulsi diventano impercettibili. Quando il disco svanisce nuovamente, ritornano anche la luce ad alta energia e gli impulsi.

Alcune pulsar non necessitano di un partner per cambiare le cose. J2021+4026, una pulsar giovane e isolata situata a circa 4.900 anni luce di distanza, ha subito uno sconcertante “cambio di modalità” nel 2011, attenuando i suoi raggi gamma per circa una settimana e poi, anni dopo, ritornando lentamente alla sua luminosità originale. Un comportamento simile era stato osservato in alcune radiopulsar, ma questa era la prima volta nel caso dei raggi gamma. Gli astronomi sospettano che l’evento possa essere stato innescato da crepe sulla crosta terrestre che hanno temporaneamente modificato il campo magnetico della pulsar.

Più lontano, Fermi scoprì il prima pulsar di raggi gamma in un’altra galassiala vicina Grande Nube di Magellano, nel 2015. E nel 2021, gli astronomi hanno annunciato la scoperta di una gigantesco bagliore di raggi gamma da un diverso tipo di stella di neutroni (chiamata magnetar) situata nella galassia dello Scultore, a circa 11,4 milioni di anni luce di distanza.

“A più di 15 anni dal suo lancio, Fermi rimane un’incredibile macchina da scoperta, e le pulsar e le loro stelle di neutroni stanno aprendo la strada”, ha affermato Elizabeth Hays, scienziata del progetto della missione presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland.

Fonte: Amministrazione nazionale per l’aeronautica e lo spazio

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