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La curiosità del mese

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Quando meno te l’aspetti

La curiosità del mese di dicembre 2015 a cura di Tomaso Belloni


Fig. 1 - Immagine artistica di una sorgente X ultra-luminosa (ULX). Crediti NASA.
Fig. 1 - Immagine artistica di una sorgente X ultra-luminosa (ULX). Crediti NASA.

Nella nostra galassia sono presenti forti sorgenti di radiazione X, sistemi contenenti stelle di neutroni o buchi neri. Quando i nostri telescopi per osservare l’universo in raggi X sono diventati più precisi e sensibili, abbiamo potuto cominciare a osservare sorgenti X all’interno di altre galassie, aspettandoci di trovare oggetti simili.
Puntualmente li abbiamo trovati e ne conosciamo ormai centinaia. Non sono mancate però le sorprese.
Alcune di queste sorgenti sono molto più luminose di quelle della nostra galassia (e vengono chiamate sorgenti X ultra-luminose, ULX dall’inglese Ultra-Luminous X-ray sources).

Fig. 2 - L'immagine mostra la galassia Andromeda con un ingrandimento verso la zona dov'e' stata scoperta la 'ultralumious x-ray source' (ULX). Credit: Landessternwarte Tautenburg, XMM-Newton, MPE
Fig. 2 - L’immagine mostra la galassia Andromeda con un ingrandimento verso la zona dov’è stata scoperta la ultralumious x-ray source (ULX). Credit: Landessternwarte Tautenburg, XMM-Newton, MPE

Dato che stiamo osservando ora diverse galassie in confronto a una sola, la nostra, potrebbe apparire normale che si trovino dei sistemi più luminosi, dato che è difficile che proprio il nostro sistema contenga i più luminosi.
Il problema sta nel fatto che queste sorgenti in altre galassie sono anche più luminose del limite massimo di luminosità per oggetti di questo tipo, e in alcuni casi molto più luminose.
C’è un limite alla luminosità? Considerazioni generali suggeriscono di sì.
L’energia per l’emissione X proviene da materia che accresce sull’oggetto compatto.
Supponiamo che questa materia cada proveniendo da tutte le direzioni e che la radiazione emessa vada anch’essa in tutte le direzioni.
Se il gas che cade per unità di tempo supera un certo limite, calcolabile, la radiazione sarà così intensa che gli impedirà di accrescere, abbassando quindi la luminosità. Insomma, il processo stesso ha un limite.
Ora, l’accrescimento non è uniforme in tutte le direzioni e ci sono altre variabili, ma un limite generale comunque si può stimare e in questo caso siamo ben oltre.
Dato che il limite dipende dalla massa dell’oggetto compatto, i buchi neri possono fornire luminosità più alte e sono i candidati più ovvii.
La comunità è divisa in due campi.
Il primo sostiene che i buchi neri nelle ULX sono molto più massicci: invece delle tipiche 10 masse solari avrebbero centinaia o migliaia di masse solari, cosa che innalzerebbe di un fattore corrispondente il limite.

Fig. 3 - Immagine artistica del satellite NuSTAR in orbita. Crediti NASA.
Fig. 3 - Immagine artistica del satellite NuSTAR in orbita. Crediti NASA.

Il problema è come oggetti del genere vengano prodotti e si possano trovare in sistemi binari.
Il secondo risolve il problema del limite ipotizzando che la radiazione X non venga emessa uniformemente, ma in un piccolo cono che punta nella nostra direzione.
Nella nostra galassia non ce ne sarebbero in quanto oggetti rari..

Fig. 4 - Immagine della regione centrale di M82 . All'interno di questa regione, 24 fonti puntuali di raggi X, tra cui X-1 e X-2. Il pannello b mostra una vista allargata della regione centrale. X-2 e' la sorgente ULX scoperta essere una stella di neutroni. Da MediaInaf
Fig. 4 - Immagine della regione centrale della galassia M82 . All’interno di questa regione, 24 fonti puntuali di raggi X, tra cui X-1 e X-2. Il pannello b mostra una vista allargata della regione centrale. X-2 è la sorgente ULX scoperta essere una stella di neutroni. Da MediaInaf dell’8 ottobre 2014.

In questo caso ovviamente il limite può essere superato, dato che i raggi X escono in una direzione diversa da quella da cui proviene il gas; inoltre, essendo puntati verso di noi la relatività speciale ci dice che sembreranno più intensi.
Non ne vediamo nella nostra galassia perchè qui non ce ne sono che puntino verso di noi.
E' probabile che queste ULX siano un misto di queste due classi.
L’anno scorso però è stato scoperto qualcosa di veramente inaspettato.
Utilizzando gli strumenti a bordo del satellite della NASA NuSTAR, un gruppo di ricercatori guidato dall’italiano Matteo Bachetti, allora ricercatore a Tolosa in Francia, ma da poco rientrato in Italia all’INAF - Osservatorio Astronomico di Cagliari) ha scoperto delle pulsazioni di 1.37 secondi da una ULX molto luminosa nella galassia Messier 82.
L’analisi delle pulsazioni ha potuto stabilire che l’oggetto pulsante si trova in un sistema binario con un periodo di 2.5 giorni. La pulsazione non può provenire da un buco nero: l’oggetto compatto deve essere una stella di neutroni!
Questo non solo spinge il limite massimo per questo oggetto molto più in basso, ma ci mostra che esistono anche stelle di neutroni che sembrano ignorare i propri limiti. Le proposte di interpretazione teorica di questi risultatati stanno cominciando ad arrivare, ma chiaramente il mistero, lungi dal venire risolto, si complica.
I sostenitori delle grandi masse per produrre grandi luminosità non saranno contenti di questi sviluppi, che provano che anche con 1.4 masse solari si può emettere luminosità simili, ma la partita è tutt’altro che chiusa.
Osservazioni future ci forniranno la risposta, anche se nuove sorprese possono sempre essere dietro l’angolo.

Per saperne di più

Come dieci milioni di Soli da MediaInaf - 08 ottobre 2014.
NuSTAR

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