Nel silenzio e nell’oscurità del nostro Universo, si nascondono buchi neri supermassicci in grado di generare potenti getti di particelle ad alta energia. Quando uno di questi getti punta direttamente verso la Terra, osserviamo un blazar, uno dei fenomeni più violenti dell’Universo.

Per comprendere al meglio i meccanismi che si celano dietro questi getti, il perché delle grandi velocità ed energie delle particelle coinvolte e da cosa sono alimentati, ci viene in aiuto il telescopio IXPE. IXPE, acronimo di Imaging X-ray Polarimetry Explorer, è il telescopio spaziale per l’osservazione a raggi X della NASA, con forte collaborazione italiana, lanciato nel dicembre 2021 e in grado di misurare la polarizzazione della luce a raggi X.

Un team internazionale di astrofisici ha pubblicato nuovi risultati ottenuti da IXPE riguardo un blazar chiamato Markarian 421 (Mrk 421). In particolare, gli scienziati sono stati sorpresi nello scoprire che il campo magnetico ha una struttura elicoidale, nella regione del getto in cui le particelle vengono accelerate.

Markarian 421, un blazar che non smette di sorprendere

“Markarian 421 è un vecchio amico degli astronomi delle alte energie” ha dichiarato l’astrofisica Laura Di Gesu dell’ASI, prima autrice della ricerca. “Eravamo sicuri che il blazar sarebbe stato un obiettivo utile per IXPE, ma le sue scoperte sono andate oltre le nostre migliori aspettative. Dimostrando con successo come lo studio della polarizzazione della luce a raggi X arricchisca la nostra capacità di sondare la complessa geometria del campo magnetico, e l’accelerazione delle particelle nelle diverse regioni dei getti relativistici”.

Mrk 421 è situato a circa 430 milioni di anni luce da noi, nella costellazione dell’Orsa Maggiore. I getti come quelli originati da questo blazar possono estendersi per milioni di anni luce e sono talmente luminosi da riuscire a oscurare tutte le stelle delle galassie dove sono ospitati. Questa elevata luminosità deriva dall’emissione di un’enorme quantità di energia da parte delle particelle che si avvicinano alla velocità della luce.

Tuttavia, nonostante i decenni di studi, gli scienziati non hanno ancora compreso appieno i processi fisici che modellano la dinamica e l’emissione di questi getti. IXPE può fare luce su questo, offrendo una visione senza precedenti di queste sorgenti, della loro geometria e delle loro emissioni, attraverso lo studio della polarizzazione dei raggi X.

I modelli di ricerca utilizzati finora usati per descrivere la fuoriuscita dei getti presentano una struttura a spirale elicoidale, proprio come il nostro DNA. Quello che gli scienziati non si aspettavano, però, era che la struttura elicoidale contenesse regioni di particelle accelerate dagli urti.

I risultati delle osservazioni di IXPE

In questo studio, IXPE ha trovato una sorprendente variabilità nell’angolo di polarizzazione durante tre osservazioni prolungate di Mkr 421 avvenute nel maggio e nel giugno 2022. Herman Marshall, ricercatore presso il Massachusetts Institute of Technology di Cambridge e coautore dell’articolo, ha spiegato:

Avevamo previsto che la direzione della polarizzazione potesse cambiare, ma pensavamo che grandi rotazioni sarebbero state rare, sulla base di precedenti osservazioni ottiche di molti blazar. Abbiamo quindi pianificato diverse osservazioni.

Dall’analisi iniziale dei dati, il team ha notato che la polarizzazione è scesa a zero tra la prima e la seconda osservazione.
Ma poi hanno realizzato che la polarizzazione era ancora presente, solo che la sua direzione aveva fatto una rotazione di quasi 180 gradi in soli due giorni, come formando una “U” rovesciata. Durante la terza osservazione, la direzione della polarizzazione ha continuato a ruotare alla stessa velocità. Tutti cambiamenti che hanno sorpreso molto i ricercatori.

Ancora di più li ha sorpresi il fatto che le misurazioni in banda ottica, infrarossa e radio non hanno mostrato alcun cambiamento. Nei raggi X, sì. Questo significa che un’onda d’urto potrebbe propagarsi lungo i campi magnetici a spirale nel getto del blazar. L’ipotesi è coerente con le teorie sviluppate per Markarian 501, un altro blazar osservato da IXPE. Ma Mkr 421 mostra delle prove più evidenti di un campo magnetico elicoidale che contribuisce allo shock delle particelle.

Di Gesu, Marshall e il loro team di ricerca devono condurre ulteriori osservazioni di Markarian 421 e di altri blazar, per avere le idee più chiare e comprendere al meglio i meccanismi che si trovano alla base dei getti.

L’abstract dello studio, pubblicato su Nature Astronomy, è reperibile qui.