Il tango mortale di una pulsar millisecondo «estrema» osservato ai raggi gamma grazie ad nuovo metodo

Le pulsar sono uno degli ambienti più estremi dell'Universo: ruotando attorno al proprio asse centinaia di volte al secondo con un ritmo talmente regolare da poter rimpiazzare gli orologi atomici, queste stelle di neutroni sono talmente dense che una cucchiaiata della loro materia peserebbe un miliardo di tonnellate. Quando furono scoperte, nel 1967, gli scienziati furono costretti ad attribuire la causa di questo fenomeno agli extraterrestri, dato che non potevano immaginare di essere davanti ad un ambiente così estremo, che ora sappiamo esistere realmente.

Tra le pulsar più misteriose vi sono quelle millisecondo, ossia con un periodo di pochi millisecondi invece che secondi. Uno dei grandi limiti dello studio di queste pulsar pulsar è stato il fatto che siamo riusciti a rilevarle solamente grazie alle loro emissioni radio estremamente regolari. Ora, un gruppo di scienziati del Max Planck Institute ha scoperto una pulsar millisecondo usando solamente le sue radiazioni di raggi gamma. Il successo del team è stato consentito da un nuovo metodo di analisi dei dati sviluppato all'Albert Einstein Institute.

Nel 1994, gli astronomi rilevarono una forte sorgente di raggi gamma nella costellazione del Centauro. Già allora si sospettava che la natura di questa sorgente fosse una pulsar, ma non si è mai potuto confermare questa teoria – fino ad oggi. Il team del Max Planck Institute for Gravitational Physics ha finalmente risolto il mistero, identificando nella sorgente la pulsar millisecondo PSR J1311-3430. Questa pulsar risulta inoltre accompagnata da un oggetto substellare che sta evaporando a causa delle sue radiazioni: per questo la pulsar è stata chiamata "vedova nera", dal nome di una specie di ragno che uccide il proprio compagno dopo l'accoppiamento.

Per identificare chiaramente una pulsar a raggi gamma, gli astronomi devono conoscere le sue proprietà con una precisione molto alta. Tra queste proprietà vi sono la posizione, la frequenza di rotazione, e i cambiamenti nel corso del tempo. Se poi questa pulsar fa parte di un sistema binario, allora gli astronomi sono costretti a determinare almeno altri tre parametri orbitali, altrimenti la natura dell'oggetto non può essere confermata.

Nel caso di PSR J1311-3430, gli astronomi sono partiti leggermente avvantaggiati, nel senso che il compagno riscaldato dalle radiazioni della pulsar era già stato osservato con telescopi ottici, e così il team è stato di grado di limitare parzialmente i parametri orbitali e determinare la posizione della pulsar.

«Abbiamo sviluppato un metodo particolarmente efficiente per cercare i dati del satellite americano Fermi sulle pulsar millisecondo a raggi gamma, incluse quelle binarie» ha commentato Holger Pletsch. «Solamente questo metodo ci ha permessi di indagare su gamme di parametri più ampie».

Gli scienziati hanno analizzato i dati di Fermi usando il supercomputer Atlas dell'Einstein Institute. «La nostra ricerca ha utilizzato i dati raccolti dal satellite a raggi gamma durante un totale di quattro anni. Poco dopo l'inizio delle analisi, nei risultati è comparso un segnale molto chiaro. Ciò che abbiamo visto è stato molto interessante» continua Pletsch.

La pulsar scoperta dal team orbita su se stessa circa 390 volte al secondo, emettendo nello spazio fotoni alle lunghezze d'onda dei raggi gamma. Ogni milione di rivoluzioni, solamente un fotone raggiunge il rilevatore a bordo di Fermi.

I segnali di raggi gamma hanno inoltre chiarito il profilo del compagno della pulsar, dato che il moto orbitale del sistema binario influenza il tempo di arrivo dei fotoni. «L'oggetto compagno è piccolo e incredibilmente denso» ha commentato Bruce Allen, il direttore dell'Albert Einstein Institute. «E' almeno otto volte più massiccio di Giove, ma ha solo il 60% del raggio del pianeta», il che significa che la sua densità è 30 volte quella del Sole. Da queste informazioni, gli scienziati hanno ipotizzato che si tratti dei resti di una stella che ha orbitato attorno alla pulsar fin dai suoi primi attimi di vita. 

«I resti del nucleo della stella, che probabilmente sono composti soprattutto da elio, sono riscaldati dalle radiazioni della pulsar e stanno letteralmente evaporando» ha commentato Pletsch. «Non solo la nostra scoperta è la prima di questo genere, ma batte anche numerosi record».

PSR J1311-3430 è infatti la pulsar binaria che orbita più velocemente attorno al comune baricentro: 93 minuti. Inoltre, questo sistema binario è il più compatto mai osservato in cui uno dei due membri è una pulsar: i due oggetti sono separati solamente da 1,4 volte la distanza tra la Terra e la Luna. La pulsar, poi, si sta muovendo ad una velocità mai osservata prima, ossia 13 mila chilometri all'ora. Il suo compagno è ancora più veloce, orbitando a 2,8 milioni di chilometri orari.

Il team ha poi fatto visita al radiotelescopio Green Bank della West Virginia, dove ha analizzato vecchie immagini in cui la pulsar non era però visibile. «Pare che la nube del materiale vaporizzato del compagno assorba la maggior parte delle emissioni radio della pulsar e potrebbe renderla invisibile ai radiotelescopi» ha commentato Lucas Guillemot.

Trent'anni dopo la scoperta delle pulsar millisecondo, gli scienziati hanno aperto una nuova porta nel cammino che ci porterà alla totale comprensione di questi misteriosi oggetti. Stiamo ancora esplorando la punta dell'iceberg, ma speriamo di riuscire, un giorno, a ribaltare l'iceberg e esplorarne il resto.

Fonte: H. J. Pletsch et al. Binary Millisecond Pulsar Discovery via Gamma-Ray Pulsations. Science, 2012 DOI: 10.1126/science.1229054

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