Le millisecond pulsar e le loro controparti ancora più misteriose, le transitional millisecond pulsar, catturano l’interesse degli scienziati provenienti da ogni angolo del mondo per i loro comportamenti enigmatici. Questi oggetti celesti, chiamati così a causa dei loro rapidissimi periodi di rotazione che si aggirano nell’ordine di pochi millisecondi, sono al centro di una nuova scoperta appena pubblicata sulla rivista Astronomy & Astrophysics (qui l’articolo).

Attraverso un’ampia campagna osservativa che si estendeva dall’infrarosso ai raggi X, un team di astronomi ha gettato luce sul motivo che si cela dietro un comportamento insolito osservato nella pulsar PSR J1023+0038. Questo ambizioso progetto di osservazione si è svolto in due notti nel mese di giugno 2021 e ha coinvolto ben 12 telescopi diversi. Tra questi, strumenti di rilievo quali XMM-Newton, il telescopio spaziale Hubble, il Very Large Telescope (VLT) dell’ESO, il Very Large Array (VLA) e i radiotelescopi ALMA e FAST.

PSR J1023+0038: il caso di una transitional millisecond pulsar

Le millisecond pulsar sono stelle di neutroni incredibilmente dense e piccole, i residui esplosivi di stelle più massicce che hanno terminato la loro evoluzione. Mentre queste stelle ruotano, emettono un fascio di radiazione elettromagnetica che, se allineato con la Terra, è osservabile dai ricercatori. Questo fenomeno genera un’emissione periodica di segnali, noto come effetto faro, che caratterizza l’apparente pulsazione delle sorgenti stesse.

Tuttavia, ciò che contraddistingue le millisecond pulsar dalle altre forme di pulsar è la loro straordinaria velocità di rotazione, manifestata attraverso periodi che possono raggiungere pochi millisecondi. Questa rapidissima rotazione non è altro che il risultato di un processo noto come spin-up, in cui la pulsar cattura materia da una compagna stellare.

L’accrescimento di massa conseguente a questo processo provoca una compressione della stella di neutroni, che la porta ad aumentare notevolmente la sua velocità di rotazione. Questa caratteristica rende essenziale che tali sorgenti risiedano all’interno di sistemi binari.

L’oggetto al centro di questo nuovo studio, PSR J1023+0038, è una variante intrigante di questa categoria: una transitional millisecond pulsar (TSP). Le TSP alternano uno stato di pulsar radio e uno stato attivo con un disco a bassa luminosità di raggi X. Durante lo stato attivo, queste sorgenti mostrano due distinti modi di emissione, che si alternano in modo imprevedibile. Le ragioni esatte dietro queste alternanze non sono ancora del tutto chiare, il quadro completo è complesso e le variabili in gioco sono tante.

Un comportamento anomalo

La pulsar PSR J1023+0038 si trova a una distanza di circa 4500 anni luce dalla Terra, e orbita vicino ad un’altra stella. Nel corso degli ultimi dieci anni, questa sorgente ha attivamente catturato e accumulato materia dalla sua compagna stellare. La materia è stata raccolta in un disco che circonda la pulsar, e nel corso del tempo cade lentamente su di essa.

Durante questo processo di accrescimento, il fascio di radiazione è scomparso, e la pulsar ha alternato la sua emissione tra:

• Modalità “alta”, caratterizzata dall’emissione di raggi X, luce ultravioletta e visibile.
• Modalità “bassa”, con un’accentuata emissione di onde radio.

Un comportamento che ha sempre affascinato i ricercatori, e ora è stata rivelata la causa di queste transizioni sorprendenti. Francesco Coti Zelati, co-autore dello studio e ricercatore presso l’Istituto di Scienze Spaziali di Barcellona, ha spiegato:

Abbiamo scoperto che il cambio di modalità deriva da un’interazione intricata tra il vento della pulsar, un flusso di particelle ad alta energia espulse dalla pulsar stessa e la materia in movimento diretto verso di essa.

Il segreto svelato dal nuovo studio

Attraverso la modellazione delle distribuzioni di energia spettrale, i ricercatori hanno dimostrato che queste variazioni di modalità sono causate da cambiamenti nella regione più interna del disco di accrescimento.

In particolare, nella modalità “bassa”, la materia che fluisce verso la pulsar viene espulsa attraverso un getto perpendicolare al disco. Man mano che questa materia si accumula sempre più vicino alla pulsar, viene colpita dal vento che fuoriesce dalla stella, riscaldandola.

Il sistema transita quindi in modalità “alta”, emettendo raggi X, luce ultravioletta e luce visibile. Successivamente, i frammenti di questa materia riscaldata vengono espulsi via dal getto. Con meno materia calda nel disco, il sistema gradualmente si attenua, tornando alla modalità “bassa”.