Per la prima volta, gli astronomi hanno misurato e mappato i raggi X polarizzati dai resti di una stella esplosa, utilizzando l’Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) della NASA. I risultati, che provengono dalle osservazioni di un residuo stellare chiamato Cassiopea A, gettano nuova luce sulla natura dei resti di giovani supernove, che accelerano particelle vicine alla velocità della luce.
Lanciato il 9 dicembre 2021, IXPE, una collaborazione tra la NASA e l’Agenzia Spaziale Italiana, è il primo satellite in grado di misurare la polarizzazione della luce a raggi X con questo livello di sensibilità e chiarezza. Tutte le forme di luce, dalle onde radio ai raggi gamma, possono essere polarizzate. A differenza degli occhiali da sole polarizzati che utilizziamo per ridurre il riverbero della luce solare che rimbalza su una strada bagnata o sul parabrezza, i rilevatori di IXPE mappano le tracce dei raggi X in entrata. Gli scienziati possono utilizzare questi record individuali per capire la polarizzazione, che racconta la storia di ciò che i raggi X hanno attraversato.
Cassiopea A (in breve Cas A) è stato il primo oggetto osservato da IXPE dopo aver iniziato a raccogliere dati. Uno dei motivi per cui è stato scelto Cas A è che le sue onde d’urto, come un boom sonico generato da un jet, sono tra le più veloci della Via Lattea. Le onde d’urto sono state generate dall’esplosione della supernova che ha distrutto una stella enorme dopo il suo collasso. La luce dell’esplosione superò la Terra più di trecento anni fa.
“Senza IXPE, abbiamo perso informazioni cruciali su oggetti come Cas A”, ha affermato Pat Slane al Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian, che guida le indagini IXPE sui resti di supernova. “Questo risultato ci sta insegnando un aspetto fondamentale dei detriti di questa stella esplosa: il comportamento dei suoi campi magnetici”. I campi magnetici, che sono invisibili, spingono e attirano particelle cariche in movimento come protoni ed elettroni. Più vicino a casa, hanno il compito di tenere i magneti attaccati al frigorifero della cucina. In condizioni estreme, come una stella esplosa, i campi magnetici possono aumentare queste particelle a velocità prossime a quelle della luce. Nonostante le loro velocità super veloci, le particelle trascinate dalle onde d’urto in Cas A non volano via dal resto della supernova perché sono intrappolate dai campi magnetici sulla scia degli shock. Le particelle sono costrette a ruotare a spirale attorno alle linee del campo magnetico e gli elettroni emettono un tipo di luce intensa chiamata “radiazione di sincrotrone”, che è polarizzata.
Studiando la polarizzazione di questa luce, gli scienziati possono “reverse engineering” ciò che sta accadendo all’interno di Cas A su scale molto piccole, dettagli che sono difficili o impossibili da osservare in altri modi. L’angolo di polarizzazione ci dice la direzione di questi campi magnetici. Se i campi magnetici vicini ai fronti d’urto sono molto aggrovigliati, il caotico mix di radiazioni provenienti da regioni con diverse direzioni del campo magnetico emetterà una minore quantità di polarizzazione.
Precedenti studi su Cas A con radiotelescopi hanno dimostrato che la radiazione del radiosincrotrone viene prodotta in regioni di quasi l’intero residuo di supernova. Gli astronomi hanno scoperto che solo una piccola quantità di onde radio era polarizzata, circa il 5%. Hanno anche determinato che il campo magnetico è orientato radialmente, come i raggi di una ruota, diffondendosi vicino al centro del residuo verso il bordo. I dati dell’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, d’altra parte, mostrano che la radiazione di sincrotrone a raggi X proviene principalmente da regioni sottili lungo gli shock, vicino al bordo esterno circolare del residuo, dove si prevedeva che i campi magnetici si allineassero con il shock. Chandra e IXPE utilizzano diversi tipi di rilevatori e hanno diversi livelli di risoluzione angolare o nitidezza. Lanciata nel 1999, la prima immagine scientifica di Chandra era anche quella di Cas A.
“Questo studio racchiude tutte le novità che IXPE porta all’astrofisica”, ha affermato il dott. Riccardo Ferrazzoli dell’Istituto Nazionale di Astrofisica/Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziale di Roma. “Non solo abbiamo ottenuto per la prima volta informazioni sulle proprietà di polarizzazione dei raggi X per queste sorgenti, ma sappiamo anche come queste cambiano in diverse regioni della supernova. Come primo obiettivo della campagna di osservazione IXPE, Cas A ha fornito un “laboratorio” astrofisico per testare tutte le tecniche e gli strumenti di analisi che il team ha sviluppato negli ultimi anni”.
“Questi risultati forniscono una visione unica dell’ambiente necessario per accelerare gli elettroni a energie incredibilmente elevate”, ha affermato il coautore Dmitry Prokhorov, anche lui dell’Università di Amsterdam. “Siamo solo all’inizio di questo giallo, ma finora il I dati IXPE ci stanno fornendo nuovi contatti da rintracciare”. IXPE è una collaborazione tra la NASA e l’Agenzia Spaziale Italiana con partner e collaboratori scientifici in 12 paesi. Ball Aerospace, con sede a Broomfield, in Colorado, gestisce le operazioni dei veicoli spaziali insieme al Laboratory for Atmospheric and Space Sciences dell’Università del Colorado, che gestisce l’IXPE per il Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, in Alabama.
Prima dell’IXPE, gli scienziati prevedevano che la polarizzazione dei raggi X sarebbe stata prodotta da campi magnetici perpendicolari ai campi magnetici osservati dai radiotelescopi. Invece, i dati IXPE mostrano che i campi magnetici nei raggi X tendono ad essere allineati in direzioni radiali anche molto vicino ai fronti d’urto. I raggi X rivelano anche una quantità di polarizzazione inferiore rispetto a quella mostrata dalle osservazioni radio, il che suggerisce che i raggi X provengono da regioni turbolente con un mix di molte diverse direzioni del campo magnetico.
“Questi risultati IXPE non erano quelli che ci aspettavamo, ma come scienziati amiamo essere sorpresi”, afferma il dottor Jacco Vink dell’Università di Amsterdam e autore principale del documento che descrive i risultati IXPE su Cas A. “Il fatto che una percentuale inferiore della luce a raggi X è polarizzata è una proprietà molto interessante – e precedentemente non rilevata – di Cas A.” Il risultato IXPE per Cas A sta stuzzicando l’appetito per ulteriori osservazioni di resti di supernova attualmente in corso. Gli scienziati si aspettano che ogni nuovo oggetto osservato rivelerà nuove risposte – e porrà ancora più domande – su questi oggetti importanti che seminano l’Universo con elementi critici.
Fonti:
https://www.nasa.gov/mission_pages/ixpe/index.html
