Il satellite italiano per l’osservazione a raggi X IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), lanciato a dicembre 2021, ha osservato a maggio di quest’anno due sorgenti già conosciute in passato per la loro particolare geometria e la forte emissione X. Si tratta delle galassie Markarian 421 (Mrk 421) e MGC-05-23-16: la prima più luminosa e vorace, un vero e proprio quasa, mentre la seconda più tranquilla, priva di getti relativistici.

I dati di IXPE, combinati con quelli dei suoi predecessori XMM-Newton e NuSTAR, hanno permesso ai ricercatori di studiare più nel dettaglio la regione occupata da questi due oggetti cosmici. In particolare, entrambe le galassie ospitano al loro centro buchi neri supermassicci con masse di 2 milioni e di 20 milioni di volte la massa del Sole, rispettivamente. Costituiscono quindi due importanti laboratori astrofisici per studiare in luce polarizzata processi di emissione X che avvengono su scale spaziali molto diverse.

IXPE ha osservato le sorgenti per diversi giorni, misurando la quantità di radiazione polarizzata nei raggi X e la sua distribuzione in cielo. Queste due informazioni hanno permesso ai ricercatori di raggiungere una serie d’importanti conclusioni sul comportamento e sull’evoluzione delle due galassie, dei loro buchi neri supermassicci e di questi mostruosi oggetti celesti in generale.

I getti di particelle di Mrk 421

Mrk 421, a circa 430 milioni di anni luce da noi, è uno tra i quasar più vicini e più luminoso nei raggi X. In questa galassia, il getto di particelle relativistiche che si origina vicino al buco nero super massiccio è orientato verso la Terra. Un oggetto con questa caratteristica viene definito blazar.

Queste condizioni sono ideali per studiare le proprietà fisiche della materia del getto. La luce polarizzata, in particolare, porta con sé informazioni preziose sull’intensità e geometria del campo magnetico a cui sono soggette le particelle. Soprattutto, permette d’indagare quali sono i meccanismi che possono creare velocità così spettacolari come quelle delle particelle nei getti dei buchi neri super massicci.

La radiazione X è emessa proprio dalle particelle accelerate più energetiche. E con i dati IXPE gli scienziati hanno capito che è lo shock che le particelle subiscono in regioni d’intenso campo magnetico ad accelerare le particelle nel getto. Un fenomeno cosmico ancora non del tutto compreso che si estende fino a migliaia di anni luce.

Già con IXPE è stato fatto un grande passo avanti. Laura di Gesu, autrice principale ASI dell’articolo dedicato a Mrk 421, ha affermato: “In futuro, studieremo anche come la luce X polarizzata cambia d’intensità e caratteristiche in poche ore o da un giorno all’altro. Questo ci permetterà di capire se il getto è un flusso di particelle ordinato o, per esempio, turbolento.”

La corona di plasma di MCG-05-23-16

La gemella tranquilla di Mrk 421 è MCG-05-23-16, a una distanza di 120 milioni di anni luce da noi. In questa galassia priva di getti relativistici è possibile studiare le regioni più interne del nucleo, fino a qualche centinaio di milioni di chilometri dal buco nero centrale.

Qui l’emissione X è dovuta all’interazione dei fotoni provenienti dal disco di accrescimento che ruota attorno al buco nero con una nuvola di elettroni distribuita sopra di esso, chiamata corona. La sua geometria, totalmente ignota prima dell’avvento della polarimetria X, è stata analizzata accuratamente dai ricercatori nei dati IXPE. Ciò ha permesso di escludere diverse ipotesi sulla sua natura. Andrea Marinucci, ricercatore ASI e autore principale dell’articolo riguardante MCG-05-23-16, ha affermato:

Grazie alle nuove osservazioni siamo stati in grado di meglio comprendere la geometria di questo materiale, responsabile della forte emissione X della sorgente. Racchiusa in una regione di spazio confrontabile con la distanza che intercorre tra il Sole e Saturno, questa nuvola di elettroni caldi assume probabilmente una forma con elevata simmetria sferica intorno al buco nero centrale.

L’importanza della polarimetria ai raggi X

Lo studio di queste due galassie e i risultati ottenuti confermano come la polarimetria nei raggi X sia uno strumento fondamentale per comprendere sia i processi fisici che la geometria di diverse classi di sorgenti astrofisiche.

Per esempio, i getti sono un elemento distintivo dei buchi neri super massicci. Tuttavia a volte non sono presenti, e i ricercatori ancora non sanno esattamente perché. Studiare il loro funzionamento con strumenti come IXPE permetterà di comprendere come possano evolvere nel tempo e se galassie come Mrk 421 sono state in passato o diventeranno in futuro più tranquille, come MCG-05-23-16.

I risultati dello studio di Mrk 421 sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal e l’abstract si può leggere a questo link. Quelli sulla ricerca riguardante MCG-05-23-16, su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, sono invece disponibili qui. Maggiori informazioni sul satellite italiano IXPE si trovano in questa pagina dell’ASI.

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