Il misterioso «ragno» cosmico è risultato essere una fonte di potenti raggi gamma

Rappresentazione artistica dell’evoluzione di una nana bianca (in primo piano) e di un sistema binario pulsar (sullo sfondo). Utilizzando il telescopio SOAR da 4,1 metri sul Cerro Passion in Cile, parte del Cerro Tololo Pan-American Observatory, un programma di NSF NOIRLab, gli astronomi hanno scoperto il primo esempio di un sistema binario costituito da una nana bianca in evoluzione in orbita attorno a una pulsar di un millisecondo, In in cui si trova la pulsar millisecondo nella fase finale del processo di rotazione. La fonte, scoperta dal Telescopio Spaziale Fermi, è l'»anello mancante» nell’evoluzione di tali sistemi binari. Credito: NOIRLab/NSF/AURA/J. Ringraziamenti da Silva/Spaceengine: M. Zamani (NOIRLab di NSF)

Il sistema binario è stato studiato dal telescopio SOAR operato da NOIRLab, il primo sistema trovato nella penultima fase del suo sviluppo.

Utilizzando il telescopio SOAR da 4,1 metri in Cile, gli astronomi hanno scoperto il primo esempio di sistema binario in cui una stella si sta trasformando in Nana bianca ruotano intorno stella di neutroni Che ha appena finito di trasformarsi in uno spinner veloce pulsar. Questa coppia è stata originariamente scoperta dal telescopio spaziale Fermi Gamma Ray ed è «l’anello mancante» nell’evoluzione di tali sistemi binari.

È stato scoperto che una luminosa e misteriosa sorgente di raggi gamma è una stella di neutroni in rapida rotazione – soprannominata una stella di millisecondi – in orbita attorno a una stella in procinto di evolversi in una nana bianca di massa estremamente ridotta. Gli astronomi si riferiscono a questi tipi di sistemi binari come «ragni» perché una pulsar tende a «mangiare» le parti esterne della stella compagna quando si trasforma in una nana bianca.

Il duo è stato scoperto dagli astronomi utilizzando il telescopio SOAR da 4,1 metri sul Cerro Pachón in Cile, parte del Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), un programma di NSF NOIRLab.

NasaIl telescopio spaziale Fermi Gamma-Ray ha catalogato oggetti nell’universo che producono abbondanti raggi gamma sin dal suo lancio nel 2008, ma non tutte le sorgenti di raggi gamma che rileva sono state classificate. Una di queste sorgenti, che gli astronomi hanno chiamato 4FGL J1120.0-2204, era la seconda sorgente di raggi gamma più luminosa dell’intero cielo che deve ancora essere identificata.

Gli astronomi degli Stati Uniti e del Canada, guidati da Samuel Swehart del US Naval Research Laboratory di Washington, DC, hanno utilizzato lo spettrografo Goodman sul telescopio SOAR per determinare la vera identità di 4FGL J1120.0-2204. La sorgente di raggi gamma, che emette anche raggi X, come osservato dai telescopi spaziali Swift della NASA e dall’XMM-Newton dell’Agenzia spaziale europea, ha dimostrato di essere un sistema binario costituito da una «pulsar di un millisecondo» che ruota centinaia di volte al secondo, e Introduzione a una nana bianca di massa molto bassa. La coppia si trova a più di 2.600 anni luce di distanza.

«Il tempo assegnato all’MSU sul telescopio SOAR, la sua posizione nell’emisfero australe e l’accuratezza e la stabilità dello spettrometro Goodman sono stati tutti aspetti importanti di questa scoperta», afferma Swihart.

«Questo è un ottimo esempio di come i telescopi di medie dimensioni in generale, e SOAR in particolare, possono essere utilizzati per aiutare a caratterizzare scoperte straordinarie che sono state fatte utilizzando altre strutture terrestri e spaziali», osserva Chris Davis, direttore del NOIRLab programma presso la National Science Foundation degli Stati Uniti. «Ci aspettiamo che SOAR svolga un ruolo fondamentale nel perseguire molte altre fonti multimessaggio variabili nel tempo nel prossimo decennio».

Lo spettro ottico del sistema binario misurato dallo spettrometro di Goodman ha mostrato che la luce della compagna della nana bianca primaria è Doppler – spostata alternativamente in rosso e blu – indicando che orbita attorno a una massiccia stella di neutroni compatta ogni 15 ore.

«Gli spettri ci hanno anche permesso di limitare la temperatura approssimativa e la gravità superficiale della stella compagna», afferma Swihart, il cui team è stato in grado di prendere queste proprietà e applicarle a modelli che descrivono come si sono evoluti i sistemi stellari binari. Ciò ha permesso loro di determinare che il compagno è un precursore di una nana bianca di massa estremamente ridotta, con una temperatura superficiale di 8.200 gradi Celsius (15.000 gradi Fahrenheit) e una massa di solo il 17% della massa del Sole.

Quando una stella con una massa paragonabile o inferiore al Sole raggiunge la fine della sua vita, l’idrogeno utilizzato per alimentare i processi di fusione nucleare nel suo nucleo si esaurirà. Per un po’, l’elio prende il comando e rafforza la stella, facendola restringere e riscaldare, spingendo la sua espansione ed evoluzione in una gigante rossa grande centinaia di milioni di chilometri. Alla fine, gli strati esterni di questa stella in mongolfiera potrebbero accumularsi su una compagna binaria e la fusione nucleare si fermerebbe, lasciando dietro di sé una nana bianca delle dimensioni più o meno della Terra e sputando a temperature superiori a 100.000 gradi Celsius (180.000 gradi Fahrenheit).

La nana bianca primaria nel sistema 4FGL J1120.0-2204 non ha ancora finito di evolversi. «Attualmente è sporgente e il suo raggio è circa cinque volte più grande di quello delle normali nane bianche di massa simile», afferma Swihart. «Continuerà a raffreddarsi e restringersi, e in circa due miliardi di anni sembrerà identica a molte delle nane bianche di massa molto piccola che già conosciamo».

Le pulsar di millisecondi ruotano centinaia di volte al secondo. Viene filata accumulando materiale da un compagno, in questo caso da una stella che è diventata una nana bianca. La maggior parte delle pulsar di millisecondi emettono raggi gamma e raggi X, spesso quando i venti stellari, un flusso di particelle cariche emanate da una stella di neutroni rotante, entrano in collisione con il materiale emesso da una stella compagna.

Sono note circa 80 nane bianche di massa molto bassa, ma «questo è il primo presagio di una nana bianca di massa molto piccola scoperta probabilmente in orbita attorno a una stella di neutroni», afferma Swihart. Pertanto, 4FGL J1120.0-2204 è uno sguardo unico alla fine di questo processo di ciclismo. Tutti gli altri binari nani e pulsar che sono stati scoperti hanno bypassato la fase di rotazione.

«Continuare la spettroscopia con il telescopio SOAR, che punta a sorgenti di raggi gamma Fermi non correlate, ci ha permesso di vedere che il compagno era in orbita attorno a qualcosa», afferma Swihart. «Senza queste osservazioni, non saremmo stati in grado di trovare questo sistema entusiasmante».

Riferimento: «4FGL J1120.0-2204: Una stella di neutroni luminosa binaria di raggi gamma unica con una nana bianca primaria molto bassa» di Samuel J. Quach, Kirill F. Sokolovsky, Elizabeth C. Ferrara, Maqbool, Giornale astrofisico.
arXiv: 2201.03589

Il team era composto da Samuel J. Swihart (Assistente di ricerca presso il National Research Council, National Academy of Sciences e US Naval Research Laboratory, Washington, DC), Jay Strader (Intensive Astronomical Data Center and Time Domain, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Elias Aydi (Dipartimento di Fisica, McGill University, Canada), Laura Chomiuk (McGill Space Institute, McGill University, Canada), Kristen C. Dage (McGill Space Institute and Department of Physics, McGill University, Canada), Adam Kawash (Center for Intensive Data and Field Astronomy Chronology, Dipartimento di Fisica e Astronomia, Michigan State University), Kirill F. Sokolovsky (Centro per Intensive Data and Time Domain Astronomy, Dipartimento di Fisica e Astronomia, Michigan State University) ed Elizabeth C. Ferrara (Dipartimento di Astronomia dell’Università del Maryland e Center for Exploration and Space Studies (CRESST) presso il Goddard Space Flight Center della NASA).