Gli scienziati hanno scoperto le prime eclissi di raggi gamma da un tipo speciale di sistema stellare binario utilizzando i dati del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA. Ciascuno di questi cosiddetti sistemi a ragno contiene una pulsar – i resti superdensi e in rapida rotazione di una stella esplosa in una supernova – che erode lentamente la sua compagna:
Un team internazionale di scienziati ha setacciato oltre un decennio di osservazioni di Fermi per trovare sette ragni che subiscono queste eclissi, che si verificano quando la stella compagna di piccola massa passa davanti alla pulsar dal nostro punto di vista. I dati hanno permesso loro di calcolare l’inclinazione dei sistemi rispetto alla nostra linea di vista e altre informazioni. “Uno degli obiettivi più importanti per lo studio dei ragni è cercare di misurare le masse delle pulsar”, ha affermato Colin Clark, astrofisico del Max Planck Institute for Gravitational Physics di Hannover, in Germania, che ha guidato il lavoro. “Le pulsar sono fondamentalmente sfere della materia più densa che possiamo misurare. La massa massima che possono raggiungere limita la fisica all’interno di questi ambienti estremi, che non possono essere replicati sulla Terra“.
I sistemi ragno si sviluppano perché una stella in un sistema binario si evolve più rapidamente della sua compagna. Quando la stella più massiccia diventa supernova, lascia dietro di sé una pulsar . Questo residuo stellare emette fasci di luce a più lunghezze d’onda, compresi i raggi gamma, che entrano ed escono dalla nostra vista, creando impulsi così regolari da competere con la precisione degli orologi atomici. All’inizio, una pulsar ragno “si nutre” della sua compagna aspirando un flusso di gas. Man mano che il sistema si evolve, l’alimentazione si interrompe mentre la pulsar inizia a ruotare più rapidamente, generando deflussi di particelle e radiazioni che surriscaldano il lato rivolto verso la compagna e lo erodono.
Gli scienziati dividono i sistemi di ragno in due tipi che prendono il nome da specie di ragno le cui femmine a volte mangiano i loro compagni più piccoli. Le vedove nere contengono compagne con meno del 5% della massa del Sole. I sistemi Redback ospitano compagni più grandi, sia per dimensioni che per massa, con un peso compreso tra il 10% e il 50% del Sole. “Prima di Fermi, conoscevamo solo una manciata di pulsar che emettevano raggi gamma“, ha detto Elizabeth Hays, scienziata del progetto Fermi presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. “Dopo oltre un decennio di osservazioni, la missione ne ha identificate oltre 300 e ha raccolto un lungo set di dati quasi ininterrotto che consente alla comunità di fare scienza pionieristica”.
I ricercatori possono calcolare le masse dei sistemi di ragno misurando i loro movimenti orbitali. Le osservazioni della luce visibile possono misurare la velocità con cui viaggia la compagna, mentre le misurazioni radio rivelano la velocità della pulsar. Tuttavia, questi si basano sul movimento verso e lontano da noi. Per un sistema quasi frontale, tali modifiche sono lievi e potenzialmente confuse. Gli stessi segnali potrebbero anche essere prodotti da un sistema più piccolo e in orbita più lenta visto di lato. Conoscere l’inclinazione del sistema rispetto alla nostra linea di vista è vitale per misurare la massa. L’angolo di inclinazione viene normalmente misurato utilizzando la luce visibile, ma queste misurazioni comportano alcune potenziali complicazioni. Mentre la compagna orbita attorno alla pulsar, il suo lato surriscaldato entra ed esce dalla vista, creando una fluttuazione nella luce visibile che dipende dall’inclinazione. Tuttavia, gli astronomi stanno ancora imparando a conoscere il processo di surriscaldamento e i modelli con modelli di riscaldamento diversi a volte prevedono masse diverse della pulsar. I raggi gamma, tuttavia, sono generati solo dalla pulsar e hanno così tanta energia che viaggiano in linea retta, non influenzati dai detriti, a meno che non siano bloccati dalla compagna. Se i raggi gamma scompaiono dal set di dati di un sistema ragno, gli scienziati possono dedurre che il compagno ha eclissato la pulsar. Da lì, possono calcolare l’inclinazione del sistema rispetto alla nostra linea di vista, le velocità delle stelle e la massa della pulsar.
PSR B1957+20, o B1957 in breve, è stata la prima vedova nera conosciuta, scoperta nel 1988. I modelli precedenti di questo sistema, costruiti in base alle osservazioni della luce visibile, hanno determinato che era inclinato di circa 65 gradi rispetto alla nostra linea di vista e a quella della pulsar. massa era 2,4 volte quella del Sole. Ciò renderebbe B1957 la pulsar più pesante conosciuta, a cavallo del limite di massa teorico tra pulsar e buco nero. Osservando i dati di Fermi, Clark e il suo team hanno trovato 15 fotoni di raggi gamma mancanti. La tempistica degli impulsi di raggi gamma di questi oggetti è così affidabile che 15 fotoni mancanti in un decennio sono abbastanza significativi da consentire al team di determinare che il sistema si sta eclissando. Hanno quindi calcolato che il binario è inclinato di 84 gradi e che la pulsar pesa solo 1,8 volte il Sole.
“C’è una ricerca per trovare enormi pulsar, e si pensa che questi sistemi di ragni siano uno dei modi migliori per trovarli”, ha detto Matthew Kerr, coautore del nuovo articolo e fisico ricercatore presso il US Naval Research Laboratory di Washington. “Hanno subito un processo molto estremo di trasferimento di massa dalla stella compagna alla pulsar. Una volta che avremo davvero messo a punto questi modelli, sapremo con certezza se questi sistemi di ragni sono più massicci del resto della popolazione di pulsar“.
Il Fermi Gamma-ray Space Telescope è una partnership di astrofisica e fisica delle particelle gestita da Goddard. Fermi è stato sviluppato in collaborazione con il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, con importanti contributi di istituzioni accademiche e partner in Francia, Germania, Italia, Giappone, Svezia e Stati Uniti. Un articolo sullo studio è stato pubblicato il 26 gennaio su Nature Astronomy.
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