I raggi X polarizzati rivelano la forma e l’orientamento della materia estremamente calda attorno a un buco nero


Un’illustrazione artistica del sistema Cygnus X-1, con il buco nero al centro e la sua stella compagna a sinistra. Le nuove misurazioni di Cygnus X-1, riportate il 3 novembre sulla rivista Science, rappresentano le prime osservazioni di un buco nero generatore di massa effettuate dalla missione Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), una collaborazione internazionale tra la NASA e l’Agenzia Spaziale Italiana.

Le recenti osservazioni di un buco nero di massa stellare chiamato Cygnus X-1 rivelano nuovi dettagli sulla configurazione della materia estremamente calda nella regione immediatamente circostante il buco nero.

La materia si riscalda a milioni di gradi quando viene trascinata verso un buco nero. Questa materia calda si illumina nei raggi X. I ricercatori utilizzano le misurazioni della polarizzazione di questi raggi X per testare e perfezionare i modelli che descrivono come i buchi neri inghiottano la materia, diventando alcune delle più luminose sorgenti di luce – compresi i raggi X – dell’universo.

Le nuove misurazioni di Cygnus X-1, pubblicate online dalla rivista Science giovedì 3 novembre, rappresentano le prime osservazioni di un buco nero generatore di massa effettuate dalla missione Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), una collaborazione internazionale tra la NASA e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Cygnus X-1 è una delle sorgenti di raggi X più luminose della nostra galassia, costituita da un buco nero di 21 masse solari in orbita con una stella compagna di 41 masse solari.

Il video mostra una sequenza di zoom che parte da una visione distante della Via Lattea fino alla sorgente osservata da IXPE, la magnetar 4U 0142+61 (chiamata anche PSR 0146+6145), situata nella costellazione di Cassiopea, a circa 13.000 anni luce dalla Terra.

Le precedenti osservazioni a raggi X dei buchi neri misuravano solo la direzione di arrivo, il tempo di arrivo e l’energia dei raggi X provenienti dal plasma caldo che si dirigeva a spirale verso i buchi neri“, ha dichiarato l’autore principale Henric Krawczynski, Wayman Crow Professor of Physics in Arts & Sciences alla Washington University di St. Louis e borsista del McDonnell Center for the Space Sciences dell’università. “IXPE misura anche la loro polarizzazione lineare, che contiene informazioni su come i raggi X sono stati emessi e se e dove si disperdono dal materiale vicino al buco nero“.

Nessuna luce, nemmeno quella dei raggi X, può uscire dall’orizzonte degli eventi di un buco nero. I raggi X rilevati da IXPE sono emessi dalla materia calda, o plasma, in una regione di 2.000 km di diametro che circonda l’orizzonte degli eventi di 60 km di diametro del buco nero.

Combinando i dati dell’IXPE con le osservazioni simultanee degli osservatori a raggi X NICER e NuSTAR della NASA, effettuate nel maggio e giugno 2022, gli autori hanno potuto definire la geometria, ossia la forma e la posizione del plasma.

I ricercatori hanno scoperto che il plasma si estende perpendicolarmente a una fuoriuscita di plasma a forma di matita su due lati, o getto, già individuata in precedenti osservazioni radio. L’allineamento della direzione della polarizzazione dei raggi X e del getto fornisce un forte sostegno all’ipotesi che i processi nella regione brillante ai raggi X vicino al buco nero svolgano un ruolo cruciale nel lancio del getto.

Le osservazioni corrispondono ai modelli che prevedono che la corona di plasma caldo avvolga il disco di materia in spirale verso il buco nero o sostituisca la porzione interna del disco. I nuovi dati sulla polarizzazione escludono i modelli in cui la corona del buco nero è una stretta colonna di plasma o un cono lungo l’asse del getto.

Gli scienziati hanno osservato che una migliore comprensione della geometria del plasma attorno a un buco nero può rivelare molto sul funzionamento interno dei buchi neri e sul modo in cui essi accumulano massa.

Queste nuove intuizioni consentiranno di migliorare gli studi a raggi X su come la gravità curva lo spazio e il tempo in prossimità dei buchi neri“, ha dichiarato Krawczynski.

Per quanto riguarda in particolare il buco nero Cygnus X-1, “le osservazioni dell’IXPE rivelano che il flusso di accrescimento è visto più di traverso rispetto a quanto si pensava in precedenza“, ha spiegato il co-autore Michal Dovčiak dell’Istituto Astronomico dell’Accademia delle Scienze Ceca.

Questo potrebbe essere il segno di un disallineamento del piano equatoriale del buco nero e del piano orbitale della binaria“, o del duo accoppiato del buco nero e della sua stella compagna, ha chiarito la coautrice Alexandra Veledina dell’Università di Turku. “Il sistema potrebbe aver acquisito questo disallineamento quando la stella progenitrice del buco nero è esplosa“.

La missione IXPE utilizza specchi a raggi X fabbricati presso il Marshall Space Flight Center della NASA e strumentazione sul piano focale fornita da una collaborazione tra ASI, Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare“, ha detto il coautore Fabio Muleri dell’INAF-IAPS. “Oltre a Cygnus X-1, IXPE viene utilizzato per studiare un’ampia gamma di sorgenti estreme di raggi X, tra cui stelle di neutroni in accrescimento di massa, pulsar e nebulose di vento di pulsar, resti di supernova, il nostro centro galattico e nuclei galattici attivi. Abbiamo trovato molte sorprese e ci stiamo divertendo molto“.

Un secondo articolo, pubblicato sullo stesso numero di Science, è stato diretto da Roberto Taverna dell’Università di Padova e descrive la rilevazione IXPE di raggi X altamente polarizzati dalla magnetar 4U 0142+61.

Siamo entusiasti di far parte di questa nuova ondata di scoperte scientifiche in astrofisica“, ha dichiarato Krawczynski.

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