E’ probabile che il sistema binario a raggi gamma più luminoso della galassia sia alimentato da una magnetar


Immagine artistica del sistema binario a raggi gamma LS 5039. Una stella di neutroni (a sinistra) e la sua massiccia stella compagna (a destra). Il team di ricerca suggerisce che la stella di neutroni nel cuore di LS 5039 ha un campo magnetico ultra-forte, ed è probabilmente una magnetar. Il campo accelera le particelle ad alta energia all’interno della regione a forma di arco, emettendo così raggi gamma che caratterizzano il sistema binario a raggi gamma.

Un team di ricercatori guidato da membri del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) ha analizzato i dati precedentemente raccolti per dedurre la vera natura di un oggetto compatto scoperto essere una magnetar rotante, un tipo di stella di neutroni con un campo magnetico estremamente forte in orbita all’interno di LS 5039, il sistema binario a raggi gamma più luminoso della Galassia.


Includendo l’ex studente laureato Hiroki Yoneda, lo scienziato senior Kazuo Makishima e l’investigatore principale Tadayuki Takahashi all’IMPU di Kavli, il team suggerisce anche che il processo di accelerazione delle particelle noto per verificarsi all’interno di LS 5039 è causato da interazioni tra i densi venti stellari della sua stella massiccia primaria e i campi magnetici ultra forti della magnetar rotante.

I binari a raggi gamma sono un sistema di stelle massicce ad alta energia e di stelle compatte. Sono stati scoperti solo di recente, nel 2004, quando è stata resa possibile l’osservazione di raggi gamma ad altissima energia nella banda di teraelettronvolt (TeV) da regioni sufficientemente grandi del cielo. Se osservati con luce visibile, i raggi gamma binari appaiono come brillanti stelle bianco-bluastre e sono indistinguibili da qualsiasi altro sistema binario che ospita una stella massiccia. Tuttavia, se osservati con i raggi X e i raggi gamma, le loro proprietà sono drammaticamente diverse da quelle di altri sistemi binari. In queste bande di energia, i sistemi binari ordinari sono completamente invisibili, ma i binari a raggi gamma producono un’intensa emissione non termica, e la loro intensità sembra aumentare e diminuire a seconda dei loro periodi orbitali da diversi giorni a diversi anni.

Una volta che i raggi gamma binari sono stati stabiliti come una nuova classe astrofisica, è stato rapidamente riconosciuto che in essi dovrebbe funzionare un meccanismo di accelerazione estremamente efficiente. Mentre l’accelerazione delle particelle TeV richiede decine di anni nei resti di supernova, che sono ben conosciuti come acceleratori cosmici, i raggi gamma binari aumentano l’energia degli elettroni oltre 1 TeV in poche decine di secondi. I binari a raggi gamma possono quindi essere considerati uno degli acceleratori di particelle più efficienti dell’Universo.

Inoltre, alcuni binari a raggi gamma sono noti per emettere forti raggi gamma con energie di diversi mega-elettronvolt (MeV). I raggi gamma in questa banda sono attualmente difficili da osservare; sono stati rilevati solo da circa 30 corpi celesti in tutto il cielo. Ma il fatto che tali binari emettano forti radiazioni anche in questa banda di energia aggiunge molto al mistero che li circonda, e indica un processo di accelerazione delle particelle estremamente efficace in corso al loro interno.

Nella Galassia sono stati trovati finora circa 10 binari a raggi gamma rispetto a più di 300 binari a raggi X che sono noti per la loro esistenza. Non si sa perché i binari a raggi gamma siano così rari e, in effetti, la vera natura del loro meccanismo di accelerazione è stata un mistero fino ad oggi.

Attraverso studi precedenti, era già chiaro che un binario a raggi gamma è generalmente costituito da una stella primaria massiccia che pesa 20-30 volte la massa del Sole, e da una stella compatta, ma non era chiaro, in molti casi, se la stella compatta era un buco nero o una stella di neutroni. Il team di ricerca ha iniziato il suo tentativo cercando di capire quale sia il caso in generale.

Una delle prove più dirette della presenza di una stella di neutroni è la rilevazione di periodiche pulsazioni veloci, che sono correlate alla rotazione della stella di neutroni. La rilevazione di tali pulsazioni da un binario a raggi gamma quasi certamente scarta lo scenario del buco nero.

In questo progetto, il team si è concentrato su LS 5039, che è stato scoperto nel 2005, e mantiene ancora la sua posizione come il più luminoso sistema binario a raggi gamma nella gamma dei raggi X e dei raggi gamma. In effetti, si è pensato che questo binario a raggi gamma contenesse una stella di neutroni grazie alla sua stabile radiazione a raggi X e ai raggi gamma TeV. Tuttavia, fino ad ora, i tentativi di rilevare tali impulsi erano stati condotti con onde radio e raggi X morbidi – e poiché le onde radio e i raggi X morbidi sono influenzati dai venti stellari della stella primaria, il rilevamento di tali impulsi periodici non aveva avuto successo.

Questa volta, per la prima volta, il team si è concentrato sulla banda di raggi X duri (>10 keV) e sui dati di osservazione di LS 5039 raccolti dal rilevatore di raggi X duri (HXD) a bordo dei telescopi spaziali Suzaku (tra il 9 e il 15 settembre 2007) e NuSTAR (tra il 1 e il 5 settembre 2016): il periodo di osservazione di sei giorni del Suzaku è stato il più lungo mai realizzato con i raggi X duri.

Entrambe le osservazioni, sebbene separate da nove anni, hanno fornito la prova di una stella di neutroni al centro di LS 5039: il segnale periodico del Suzaku con un periodo di circa 9 secondi. La probabilità che questo segnale derivi da fluttuazioni statistiche è solo dello 0,1 per cento. Anche NuSTAR ha mostrato un segnale ad impulsi molto simile, anche se il significato dell’impulso era più basso: i dati di NuSTAR, per esempio, erano solo provvisori. Combinando questi risultati, si è anche dedotto che il periodo di rotazione aumenta di 0,001 s ogni anno.

Sulla base del periodo di spin derivato e del tasso del suo aumento, il team ha escluso gli scenari di rotazione e di accrescimento, e ha scoperto che l’energia magnetica della stella di neutroni è l’unica fonte di energia in grado di alimentare LS 5039. Il campo magnetico richiesto raggiunge 1011 T, che è di 3 ordini di grandezza superiore a quello delle tipiche stelle di neutroni. Questo valore si trova tra le cosiddette magnetars, una sottoclasse di stelle di neutroni che hanno un campo magnetico estremamente forte. Il periodo di impulso di 9 secondi è tipico delle magnetar, e questo forte campo magnetico impedisce al vento stellare della stella primaria di essere catturato da una stella di neutroni, il che può spiegare perché LS 5039 non presenta proprietà simili alle pulsar a raggi X (le pulsar a raggi X di solito si verificano nei sistemi binari a raggi X, dove i venti stellari sono catturati dalla sua stella compagna).

È interessante notare che le 30 magnetar che sono state trovate finora sono state tutte trovate come stelle isolate, quindi la loro esistenza nei binari a raggi gamma non è stata considerata un’idea tradizionale. Oltre a questa nuova ipotesi, il team suggerisce una fonte che alimenta l’emissione non termica all’interno di LS 5039, proponendo che l’emissione sia causata da un’interazione tra i campi magnetici della magnetar e i densi venti stellari. Infatti, i loro calcoli suggeriscono che i raggi gamma con energie di diversi megaelettronvolt, che non è stato chiaro, possono essere fortemente emessi se sono prodotti in una regione di un campo magnetico estremamente forte, vicino ad una magnetar.

Questi risultati risolvono potenzialmente il mistero sulla natura dell’oggetto compatto all’interno di LS 5039, e sul meccanismo sottostante che alimenta il sistema binario. Tuttavia, ulteriori osservazioni e il perfezionamento delle loro ricerche sono necessari per gettare nuova luce sulle loro scoperte.


Maggiori informazioni : H. Yoneda et al. “Sign of Hard-X-Ray Pulsation from the γ -Ray Binary System LS 5039”, Physical Review Letters.

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