Risolto il mistero delle stelle di neutroni a intermittenza

Un gruppo di scienziati potrebbe essere riuscito a risolvere un mistero cosmico risalente agli anni '70 e legato alle bizzarre emissioni di uno degli oggetti più esotici nell'Universo - una giovane stella di neutroni in un sistema binario. A far luce sulla natura delle emissioni della stella sono stati tre telescopi spaziali: Fermi e NuSTAR della NASA e XMM-Newton dell'ESA.

Inizialmente, il campo magnetico tiene la maggior parte del materiale nel disco di accrescimento a una distanza di sicurezza dalla stella di neutroni (immagine 1). Man mano che il disco si ingrossa (2), la sua velocità di rotazione aumenta fino ad eguagliare quella del campo magnetico (3). A questo punto, il disco collassa in un colpo solo sulla stella (4). Copyright: ESA/ATG medialab

Il sistema, noto come MXB 1730-335, è popolato da una piccola stella nel pieno del suo ciclo vitale e da una stella di neutroni, i densi resti di un astro scomparso. L'attrazione gravitazionale esercitata dalla stella di neutroni è sufficiente a strappare materiale dalla compagna; questo materiale va a formare un disco di accrescimento, dove risiede prima di essere inghiottito dalla stella di neutroni.

Questo continuo flusso di materiale verso la stella di neutroni provoca l'emissione di regolari e costanti lampi di raggi-X, noti come lampi di tipo I. Questi eventi sono dovuti alle reazioni nucleari scatenate dall'interazione tra il gas in caduta e la superficie della stella di neutroni. Il sistema osservato dai tre telescopi alterna periodi di intensa luminosità, caratterizzati dall'emissione di lampi di tipo I, a periodi in cui l'emissione avviene esclusivamente tramite lampi di tipo II - lampi improvvisi, irregolari ed estremamente energetici. Questi eventi sporadici interrompono lunghi periodi che sarebbero altrimenti caratterizzati da una bassa emissione di raggi-X.

La curva di luce di MXB 1730-335. Image adapted from van den Eijnden et al. (2017)

Nonostante decenni di ricerche, gli astronomi sono riusciti ad osservare lampi di tipo II solamente in un altro sistema, scoperto negli anni '90. Questo secondo sistema include una pulsar - una stella di neutroni caratterizzata da un intenso campo magnetico e da un elevato moto di rotazione.

"MXB 1730-335 è l'esempio perfetto per studiare i lampi di tipo II - è lì che sono stati osservati per la prima volta, ed è l'unica sorgente che emette sia lampi di tipo I che di tipo II," spiega Jakob van den Eijnden dell'Anton Pannekoek Institute di Amsterdam.

Il telescopio spaziale Fermi ha monitorato il sistema durante uno dei periodi in cui era prevista l'emissione di lampi di tipo II. Subito dopo l'identificazione del primo lampo, gli altri due telescopi, XMM-Newton e NuSTAR, si sono uniti allo studio del sistema. XMM-Newton è in grado di raccogliere i raggi-X emessi direttamente dalla superficie della stella di neutroni, oppure dal disco di accrescimento, mentre NuSTAR opera ad energie più elevate ed è quindi sensibile alle radiazioni emesse dalla stella di neutroni e riflesse contro il disco.

Gli scienziati sospettano che i lampi di tipo II siano dovuti all'azione del campo magnetico roteante generato dalla stella di neutroni. Questo campo sarebbe in grado di tenere il gas a una distanza di sicurezza, creando un vero e proprio lembo di spazio vuoto tra la superficie stellare e il disco di accrescimento. Man mano che il materiale si accumula all'interno del disco di accrescimento, quest'ultimo inizia a ruotare sempre più velocemente, fino ad eguagliare il moto del campo magnetico.

"È come se tirassimo qualcosa verso una giostra che sta ruotando a grande velocità," prosegue van den Eijnden. "L'oggetto rimbalzerebbe contro la giostra, a meno che abbia la stessa velocità. Un fenomeno simile accade tra il gas in caduta verso la stella e il campo magnetico: finché il gas viaggia più lentamente, non può avvicinarsi alla stella di neutroni e può solo accumularsi nel disco. Una volta raggiunta la giusta velocità, il gas si schianta contro la stella in un colpo solo, risultando in una drammatica esplosione di tipo II."

Altri modelli spiegano i lampi di tipo II in termini di instabilità nel flusso del gas o via effetti relativistici, ma non includono la formazione di un buco tra la stella di neutroni e il disco, come invece osservato dai tre telescopi. "Abbiamo osservato un vero e proprio buco," spiega Nathalie Degenaar. "Ciò suggerisce che i lampi di tipo II siano causati dall'azione del campo magnetico."

Le osservazioni indicano che lo spazio vuoto tra la superficie della stella di neutroni e il bordo interno del disco di accrescimento misura 90 chilometri - circa nove volte in più del raggio della stella di neutroni, che è pari ad appena 10 chilometri. Una simile struttura era stata riscontrata in precedenza nell'altro sistema binario che emette lampi di tipo II.

I dati indicano che il campo magnetico generato dalla stella di neutroni vanta un'intensità di oltre 60 mila tesla, circa un miliardo di volte superiore a quello terrestre e almeno cinque volte superiore a quello di qualunque altra stella di neutroni in un sistema binario con una compagna meno massiccia. Ciò suggerisce che la stella di neutroni sia relativamente giovane, e che quindi il processo di accrescimento non abbia ancora avuto abbastanza tempo per indebolire il campo magnetico in maniera significativa. Il moto di rotazione delle stelle di neutroni aumenta notevolmente nel corso del tempo; se è vero che questa stella è particolarmente giovane, dunque, dovrebbe avere una rotazione molto lenta.

"Questo risultato è un importante passo in avanti nello studio delle stelle di neutroni," conclude Norbert Schartel dell'ESA, "e rivela nuovi dettagli sull'interazione tra i campi magnetici e i dischi di accrescimento in questi oggetti esotici."