Un’eruzione mostruosamente energetica

Sono di un’intensità senza precedenti le esplosioni cosmiche che a partire dallo scorso 15 giugno sono state rivelate dal satellite Swift della NASA. Ad indagarle è stato un team internazionale di ricercatori tra cui alcuni dell’INAF, soprattutto grazie alle ulteriori osservazioni dell’osservatorio orbitante per l’astrofisica delle alte energie INTEGRAL dell’ESA. Le potentissime esplosioni sono state prodotte da V404 Cygni, una sorgente di alta energia nella costellazione del Cigno. Gli astrofisici ne hanno identificato la natura: è un buco nero di massa stellare, cioè generato dal collasso di una stella massiccia avvenuto al termine del suo ciclo evolutivo, che ora detiene il record dell’intensità del flusso di alta energia, mai registrata prima da una sorgente cosmica. Questo è in parte dovuto alla sua vicinanza, trovandosi a circa 8000 anni luce da noi. V404 Cygni ha una massa di circa 10 volte quella del Sole ed è legato gravitazionalmente ad una stella “normale”, simile al nostro Sole, da cui sta risucchiando parte del materiale di cui è costituita. Nel suo viaggio verso il buco nero, questa materia cade con un moto spiraleggiante formando attorno ad esso quello che prende il nome di disco di accrescimento, delle dimensioni dell’ordine delle migliaia di km. In questo precipitare, la materia si surriscalda e nella corona calda che si forma nella vicinanze del buco nero essa puo’ raggiungere temperature fino a centinaia di milioni di gradi, emettendo radiazione di alta energia, sotto forma di raggi X e gamma.  Il materiale viene quindi in parte espulso attraverso due getti che si allontanano in direzioni opposte con velocità prossime a quella della luce. «La forte intensità di questi getti, che in un solo minuto possono trasportare l’energia prodotta dal Sole in diversi mesi, ci permette di studiare con una sensibilità senza precedenti la fisica dei fenomeni estremamente energetici che avvengono in prossimità dell’orizzonte degli eventi di un buco nero» dice il primo autore dello studio, apparso su Astrophysical Journal Letters, Lorenzo Natalucci, dell’INAF-IAPS. E l’indagine condotta dai ricercatori mette in evidenza un’emissione estremamente variabile a tutte le lunghezze d’onda, un po’ come fuochi d’artificio. Mentre nella banda radio si vedono chiaramente i getti quando sono a una certa distanza dal buco nero, nei raggi X e gamma si può vedere il momento in cui i blob di materia vengono espulsi, in prossimità dell’orizzonte degli eventi. Un risultato assai importante per lo studio di questi fenomeni, ottenuto grazie all’eccezionale qualità dei dati prodotti da INTEGRAL, che non ha rivali come sensibilità delle osservazioni nei raggi gamma. Questi processi di accrescimento ed espulsione di materia funzionano anche su scala molto più grande, quella dei buchi neri cosiddetti “supermassicci”, aventi una massa da milioni a miliardi di volte maggiore e che si trovano al centro delle galassie. La fisica di questi buchi neri è molto difficile da studiare perché il moto della materia e i parametri fisici della regione vicina al buco nero variano con cicli di centinaia o migliaia di anni, quindi inaccessibili all’osservazione diretta. D’altra parte è dimostrato che i buchi neri supermassicci influenzano l’evoluzione delle galassie e dell’Universo su larga scala, e quindi è fondamentale capire come funzionano. «Nei microquasar come V404 Cygni questi cicli avvengono su tempi scala di minuti o anche meno, ed è quindi possibile studiare in dettaglio gli effetti legati al rilascio di energia gravitazionale in condizioni estreme.  I microquasar sono quindi dei “laboratori” ideali per studiare questi fenomeni, che non potrebbero essere mai riprodotti in un sito terrestre» aggiunge Pietro Ubertini, direttore dell’Istituto INAF/IAPS di Roma e co-autore dello studio.
Redazione Media Inaf

Annunci

Emissione X da record

L’immagine del mese di Integral è dedicata ad uno studio condotto da un ricercatore dell’INAF, Tomaso Belloni, esperto di buchi neri, dell’Osservatorio Astronomico di Brera dell’INAF.
Lo studio, che ha previsto due settimane piene di osservazione con il satellite per lo studio delle alte energie dell’ESAIntegral, riguardava un buco nero transiente, ovvero un sistema binario composto da un buco nero e una stella di tardo tipo spettrale (late-type star). Sebbene per la maggior parte del tempo i buchi neri transienti sono in uno stato di quiescenza o di basso accrescimento, per periodi di alcuni mesi possono diventare molto luminosi fino a raggiungere una considerevole frazione della cosiddetta luminosità di Eddington.
L’evoluzione spettrale e la tempistica di queste forti emissioni a raggi X è ancora molto complessa da comprendersi. Ad un inizio e ad una fine in cui l’emissione X è principalmente nelle alte energie, corrisponde una fase centrale dominata da raggi X meno energetici.
L’unica possibilità di comprenderli è studiarli con assiduità, fenomeni però che vanno da alcuni giorni a poche settimane. Un periodo breve che non permette facilmente di seguire il fenomeno adeguatamente. A settembre il satellite Swift ha rilevato un nuovo transiente di questa classe proveniente dal centro della Galassia che è stato messo subito sotto osservazione dal satellite Integral per quello che ha visto la più lunga ed energetica copertura quasi continua di una emissione a raggi X da un sistema transiente.
Nel grafico si mettono a confronto le registrazioni di Swift e Integral. Sfortunamente non è stato possibile coprire l’intero periodo, ma solo la parte centrale di questa forte emissione, nonostante questo l’emissione dello spettro ricavato è significativa e permetterà approfondimenti fino a ieri non ipotizzabili.
L’immagine sul sito ESA

Supernova al Titanio

Siamo tutti polvere di stelle. Provengono dalle stelle gli elementi chimici pesanti di cui siamo in parte fatti e di cui sono composti gli oggetti che ci circondano, come silicio, zolfo, ferro, nickel. Ma anche titanio. Sono per l’appunto il titanio e la misura della sua abbondanza i protagonisti di un recente articolo realizzato grazie ai dati della missione INTEGRAL e pubblicato su Nature. L’articolo ha riscosso un grande successo al meeting annuale dedicato alla missione che si sta svolgendo in questi giorni a Parigi e rappresenta un ottimo modo per celebrare i primi dieci anni di volo del telescopio spaziale dell’ESA.
L’articolo è firmato da un gruppo di ricercatori dello Space Research Institute di Mosca capitanati dal russo S.A. Grebenev, e riporta la misura della quantità di titanio 44 (un isotopo di questo elemento chimico) generato nella Supernova 1987 A. Il titanio è un elemento che non si trova libero in natura ma è presente in molti minerali (corrisponde allo 0,6% della massa terrestre) ed è ampiamente utilizzato nell’industria per la realizzazione di utensili in grado di resistere a temperature estreme. Fino ad oggi, la sua provenienza era ignota. Era uno degli elementi pesanti che finora si poteva solo ipotizzare venissero  generati nelle esplosioni delle supernovae.
I modelli teorici individuavano nel decadimento radioattivo di questo elemento un contributo possibile alla emissione infrarossa, ottica e ultravioletta delle supernovae. O dei loro resti, poiché il contributo del titanio non avrebbe luogo nei primissimi anni dopo l’esplosione della supernova, periodo dominato dal decadimento del cobalto, ma entrerebbe in gioco in una fase successiva.
A riprova sperimentale di questi modelli teorici, le osservazioni di INTEGRAL hanno permesso di realizzare una stima diretta della quantità di titanio nella Supernova 1987 A, misurando le righe di emissione dell’elemento nei raggi x. Una conferma sperimentale mai ottenuta in passato in modo così preciso e diretto.
Ma come spesso accade nella storia della ricerca scientifica, il risultato odierno prende spunto da un passato lontano, ben precedente al lancio della missione. Racconta Pietro Ubertini, protagonista della ricerca italiana nell’astrofisica delle alte energie e attuale Direttore dello IAPS di Roma: “Quella della Supernova 1987 A è una caccia che va avanti da 25 anni. Ricordo molto bene quando esplose a inizio 1987 creando una vera e propria mobilitazione generale tra i ricercatori. La supernova era visibile nel continente australiano e un paio di mesi dopo l’evento, con un gruppo di colleghi dell’allora CNR, in collaborazione con la NASA e l’Università australiana, organizzammo una campagna osservativa da pallone ad Alice Springs, nel centro del deserto australiano. Era un’epoca in cui la maggior parte dell’astrofisica delle alte energie era fatta da pallone e, fin da allora, con una grande partecipazione degli italiani. Nei tempi immediatamente successivi all’esplosione, nelle emissioni della supernova era visibile solo il cobalto. Per i due decenni successivi, prima da pallone poi dallo spazio, sono stati condotti una serie infinita di esperimenti per cercare e misurare gli elementi generati nell’attività di questa supernova.”
Una ricerca approdata oggi ai risultati forniti da INTEGRAL e pubblicati proprio nel decimo anniversario dal lancio della missione, avvenuto il 17 ottobre 2002 dal cosmodromo di Baikonur, nel Kazakhstan. Grazie alla sua copertura del cielo nella banda energetica che va dai raggi X ai raggi gamma a bassa energia, INTEGRAL ha colmato la lacuna elettromagnetica tra i telescopi satellitari che lavorano nei raggi X e gli osservatori terrestri che indagano il cielo nelle sue emissioni gamma ad altissima energia. Con il suo monitoraggio continuo e la sensibilità senza precedenti dei suoi strumenti, INTEGRAL aveva già permesso, nei suoi dieci anni di attività, di scoprire due nuove classi di binarie ai raggi X, di caratterizzare l’emissione diffusa alle alte energie proveniente dalla nostra Galassia e di studiare in dettaglio i buchi neri supermassicci presenti all’interno di galassie lontane.
L’estensione della sua operatività fino al 31 dicembre 2014 colloca INTEGRAL tra le missioni spaziali più longeve e prolifiche dell’ESA. E promette grandi risultati anche per i prossimi anni. Continua Ubertini: “La 1987 A è stato un evento da cui abbiamo imparato molto. Ma questa supernova è situata nella Grande Nube di Magellano all’enorme distanza di 55.000 parsec da noi (circa 182.000 anni luce). Allo stato attuale, possiamo solo immaginare cosa si potrebbe vedere se una supernova esplodesse più vicino a noi.  La comunità scientifica dell’astrofisica delle alte energie è tutta in attesa di una supernova galattica. E’ quello che tutti noi stiamo aspettando da oltre 20 anni. E speriamo vivamente che questo possa accadere mentre INTEGRAL è ancora funzionante, poiché al momento è l’unico strumento che ci permetterebbe di fare una radiografia completa di un evento così straordinario. Possiamo solo provare ad immaginare quanto tutto questo farebbe avanzare la nostra conoscenza sull’evoluzione dell’Universo.”
di Livia Giacomini e Elisa Nichelli (INAF)