Da uno studio recente del ricercatore giapponese Hiroki Yoneda e di un gruppo di scienziati del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, emerge una nuova ipotesi sulla natura dei sistemi binari a raggi gamma. Il team di ricercatori ha sfruttato i dati degli osservatori Suzaku e NuSTAR per comprendere il sistema LS 5039, il binario di raggi gamma più luminoso tra i 10 osservati finora nella nostra galassia. Dall’analisi hanno dedotto che l’oggetto compatto all’interno del sistema potrebbe essere una magnetar, una stella di neutroni con un enorme campo magnetico. Gli scienziati ipotizzano anche che il processo di accelerazione delle particelle del sistema di raggi gamma sia dovuto all’interazione tra i venti stellari della stella primaria e il forte campo magnetico della magnetar.
Sistemi binari a raggi gamma: rari ma stupefacenti
I sistemi binari a raggi gamma sono dei sistemi di stelle binarie conosciuti da poco tempo e molto rari. Sono composti da una stella primaria massiccia e da un oggetto compatto che finora si ipotizzava fosse una stella di neutroni o un buco nero.
La maggior parte delle emissioni di questi particolari sistemi è irradiata nella banda di energia dei raggi X e dei raggi gamma, dai quali deriva il loro nome. Per questo motivo, questa classe di oggetti è stata istituita solo di recente, da quando sono diventate possibili le osservazioni di raggi gamma ad altissima energia (nella banda del TeV). Nella nostra galassia sono stati trovati 10 sistemi binari a raggi gamma, e circa 300 binarie a raggi X. I raggi gamma restano ancora una banda dello spettro elettromagnetico molto difficile da osservare.
Fin da quando sono stati scoperti, gli scienziati hanno riconosciuto che i sistemi binari a raggi gamma sono caratterizzati da un meccanismo di accelerazione molto efficiente: sono gli acceleratori di particelle più efficienti dell’Universo. Ciò che ancora non era chiaro era a cosa fosse dovuta questa caratteristica, e che natura avesse l’oggetto compatto presente nel sistema.
L’oggetto misterioso è una stella di neutroni
Lo studio di Yoneda e dei suoi collaboratori si basa sui dati di LS 5039, il sistema binario a raggi gamma più luminoso della nostra galassia. Prima del loro intervento, si pensava che questo sistema fosse composto da una stella primaria pesante 20-30 volte la massa del Sole e un compatto secondario di natura sconosciuta. Si sapeva anche che le particelle potevano essere accelerate con un’efficienza molto elevata, fino a decine di TeV in pochi secondi. Ma cosa era in grado di fornire una simile potenza?
Il team di ricercatori del Kavli IPMU ha studiato le distribuzioni spettrali di LS 5039, concentrandosi sulla banda dei raggi X superiore ai 10 keV. Da esse gli scienziati hanno evinto le pulsazioni veloci periodiche tipiche di una stella di neutroni, scartando quindi l’ipotesi che l’oggetto compatto dentro LS 5039 fosse un buco nero.
Una stella di neutroni è un oggetto molto compatto formato da materia degenere, il risultato del collasso gravitazionale del nucleo di una stella massiccia. Le stelle di neutroni ruotano molto velocemente, rallentando nel tempo perché i loro forti campi magnetici irradiano energia all’esterno. Una volta certi che l’oggetto misterioso dentro LS 5039 fosse una stella di neutroni, rimaneva da capire quale fosse il motore responsabile del potere di accelerazione del sistema a raggi gamma.
Per farlo, i ricercatori hanno combinato i risultati dei dati derivanti da due diversi telescopi. Da essi hanno dedotto il periodo di rotazione del sistema binario, scoprendo che aumenta di 0.001 secondi ogni anno. Queste informazioni hanno permesso di capire che l’unica fonte di energia in grado di alimentare LS 5039 è l’energia magnetica della stella di neutroni. Di conseguenza la stella di neutroni di questo sistema probabilmente è una magnetic star, detta magnetar.
Cosa sappiamo sulle Magnetar
Le magnetar sono stelle di neutroni caratterizzate da un campo magnetico molto intenso, miliardi di volte quello terrestre. Sono oggetti generati durante dall’esplosione di una supernova con una probabilità del 10% quando la stella che esplode ha già una veloce rotazione e un forte magnetismo interno. La vita di queste stelle di neutroni è piuttosto breve, ma il loro decadimento genera intense emissioni elettromagnetiche che possono essere rilevate ai raggi X e ai raggi gamma.
Le magnetar sono sempre state osservate come oggetti singoli: nessuno ha mai pensato potessero far parte anche di sistemi binari. Per la prima volta, gli scienziati del team di Yoneda ipotizzano che i sistemi binari a raggi gamma possano essere alimentati da una stella di neutroni molto magnetica. Lo conferma il fatto che il periodo tra le pulsazioni periodiche rilevate per LS 5039 è tipico delle magnetar.
Questa ipotesi spiega anche il potere di accelerazione dei sistemi a raggi gamma: il vento stellare della primaria massiccia interagisce con il campo magnetico molto intenso della magnetar, permettendo agli elettroni di aumentare di molto la loro energia, anche di 1 TeV in poche decine di secondi. Questo è qualcosa che con i resti di una normale supernova può avvenire solo in decine di anni.
Resta da chiarire quale sia effettivamente il meccanismo di interazione e se quando scoperto sia valido in generale.I risultati del team del Kavli IPMU sono molto interessanti, perché mettono finalmente luce sulla capacità di accelerazione dei sistemi binari di raggi gamma e sulla natura dell’oggetto compatto al loro interno. Si tratta però di un’ipotesi da confermare, e gli studi successivi permetteranno sicuramente di approfondire il mistero di questi straordinari oggetti così rari nel nostro cielo.
Lo studio completo: Sign of hard X-ray pulsation from the gamma-ray binary system LS 5039
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