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Una scelta di campo!

La curiosità del mese di ottobre 2013 a cura di Tomaso Belloni

Fig. 1 - A sinistra: sovrapposizione di dati X, ottici e infrarossi (in rosso, verde e blu). Al centro in rosa la magnetar SGR 0418+5729. - A destra: immagine artistica della magnetar dove si evidenzia il campo magnetico esterno debole e il campo magnetico interno forte. Crediti Chandra Photo Album

Nel 2009, il satellite per astronomia X Swift ha rivelato una nuova sorgente apparsa nel cielo.
Osservazioni seguenti hanno mostrato che si tratta di una "magnetar", ovvero di una stella di neutroni isolata simile a una pulsar, ma con un campo magnetico molto più alto.
Questa sorgente, chiamata SGR 0418+5729, ruota su se stessa ogni 9.1 secondi, un periodo tipico per questo tipo di oggetti.
Come si fa a sapere che il campo magnetico è molto alto? Dalla alta luminosità e da altre caratteristiche dell’emissione in raggi X.
C’è però un problema. Una stella di neutroni isolata che ruota perde energia rallentando a poco a poco: in altre parole l’energia necessaria per emettere raggi X viene presa dalla rotazione della stella, che quindi rallenta. Rovesciando il ragionamento, dal rallentamento si può stimare quanta energia sia disponibile per emettere raggi X. Per questo oggetto in particolare, il campo magnetico stimato dalla velocità a cui rallenta è però molto più basso, tipico di una pulsar normale. Per superare questa incongruenza (emissione da campo alto, rallentamento da campo basso), una sorgente con un campo magnetico "basso" (si tratta sempre di centomila milioni di volte più forte di quello della terra alle latitudini italiane) che emette radiazione X come se ce l’avesse molto più alto, si è ipotizzato che il campo magnetico alla sua superficie non sia omogeneo, ma abbia delle "zone" in cui è molto più alto, legate alla struttura del campo magnetico interno.

Fig. 2 -Immagine artistica della magnetar SGR 0418+5729. Panoramica e dettaglio sulla regione della magnetar che ha fatto registrare l’intenso campo magnetico (Crediti: Esa-Atg Medialab).

Recentemente, un team di ricercatori italiani ha analizzato dei dati del 2009 ottenuti con il satellite per astronomia X dell’ESA XMM-Newton e ha scoperto un effetto notevole che conferma questa ipotesi (vedi articolo su Nature).
Prima però dobbiamo fare una parentesi: leggi la box "Cosa fa una particella carica in un campo magnetico?".

Cosa fa una particella carica in un campo magnetico?
Quando una particella carica, ad esempio un elettrone o un protone (costituenti degli atomi) si trova in un campo magnetico, può assorbire i fotoni che incontra, ma solo quando l’energia dei fotoni corrisponde a un determinato valore, che dipende dalla massa della particella e dal campo magnetico.
Più alta è la massa della particella carica e/o più alto è il campo magnetico, più alta è l’energia dei fotoni che vengono assorbiti.
Il plasma nei dintorni di una pulsar o una magnetar è per definizione composto di particelle cariche: elettroni, protoni e nuclei di elementi più pesanti.
L’effetto è quello di produrre delle righe di assorbimento nell’emissione della stella di neutroni, ovvero a quella energia particolare si vede una carenza di fotoni.

Torniamo a SGR 0418+5729. Quello che i ricercatori italiani hanno scoperto è che non soltanto una riga di assorbimento in questa sorgente c’è ed è fortissima, ma anche che la sua energia varia di cinque volte in meno di un secondo, sempre in corrispondenza dello stesso punto nella rotazione della stella di neutroni.
Ogni 9 secondi, per circa un secondo appare questa riga di assorbimento che in quel secondo varia in energia di ben cinque volte. Una variazione di tale grandezza non era mai stata vista!
Come dicevo, l’energia di questa riga dipende principalmente da due parametri: la massa del tipo di particella coinvolta e l’intensità del campo magnetico nella zona dove queste particelle si trovano.
Escludendo nuclei di elementi più pesanti, si può trattare di elettroni o di protoni.
Però gli elettroni per un campo magnetico tipico di una pulsar produrrebbero una riga di assorbimento a energie molto più alte, più alte ancora per un campo magnetico da magnetar, cento volte e passa superiore.
Quindi o questi elettroni si trovano molto lontano dalla stella di neutroni, dove il campo è più debole, oppure si tratta di protoni. Se sono protoni, il campo magnetico per la produzione di queste righe si stima essere più di 600 volte quello di una normale pulsar.
Ma la variazione osservata e il fatto che la riga non si osservi sempre indicano che questo campo altissimo non è ovunque.
Ad esempio, il campo potrebbe essere più basso, ma con dei "tubi" di campo magnetico più alti che escono e entrano dalla stella di neutroni.
In questo caso, quando il tubo passa davanti alla linea di vista durante la rotazione della stella, entra in gioco la riga di assorbimento che varia velocemente al variare del campo: sale e poi scende, esattamente come osservato.
Insomma, un oggetto ancora più peculiare nella nostra galassia. Un multi-magnete rotante!

Per saperne di più

A variable absorption feature in the X-ray spectrum of a magnetar - Nature
SGR 0418+5729: A Hidden Population of Exotic Neutron Stars - Chandra Photo Album
Magnetar SGR 0418+5729 with a magnetic loop - ESA
SGR 0418+5729 - Video YouTube (in inglese)