Introduzione

Gli astrofisici stanno ridisegnando l’immagine delle pulsar, i resti densi e vorticosi delle stelle esplose, grazie alla NASA’s Neutron star Interior Composition Explorer (NICER), un telescopio a raggi X a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Utilizzando i dati di NICER, gli scienziati hanno ottenuto le prime misurazioni precise e affidabili sia della dimensione della pulsar che della sua massa, nonché la prima mappa in assoluto degli hot spots (punti caldi) sulla sua superficie.  

La Pulsar J0030

La pulsar in questione, J0030 + 0451 (in breve J0030), si trova in una regione isolata dello spazio a 1.100 anni luce di distanza nella costellazione dei Pesci. Misurando il peso e le proporzioni della pulsar, NICER ha rivelato che le forme e le posizioni degli “hot spots” di milioni di gradi sulla sua superficie sono molto più strane di quanto si pensi.

Dalla stazione spaziale, NICER sta rivoluzionando la nostra comprensione delle pulsar“, ha affermato Paul Hertz, direttore della divisione di astrofisica presso la sede della NASA a Washington. “Le pulsar sono state scoperte più di 50 anni fa come fari di stelle che sono crollati in nuclei densi, comportandosi diversamente da qualsiasi cosa vediamo sulla Terra. Con NICER possiamo sondare la natura di questi resti densi in modi che finora sembravano impossibili“.

Una serie di articoli che analizzano le osservazioni di NICER su J0030 sono stati pubblicati in un numero di The Astrophysical Journal Letters ed è ora disponibile online .

Guarda in che modo la stella della Neutron della NASA, Interior Composition Explorer (NICER), ha ampliato la nostra comprensione delle pulsar, i corpi densi e rotanti delle stelle esplose. Pulsar J0030 + 0451, situato a 1.100 anni luce di distanza nella costellazione dei Pesci, ora ha le misure più precise e affidabili di qualsiasi pulsar fino ad oggi. Le forme e le posizioni dei suoi punti caldi sfidano le rappresentazioni da manuale di questi incredibili oggetti. Crediti: Goddard Space Flight Center della NASA

Capire il funzionamento delle Pulsar

Quando una stella massiccia muore, finisce il carburante, collassa sotto il suo stesso peso ed esplode in una supernova. Queste morti stellari possono lasciarsi dietro le stelle di neutroni, che racchiudono più massa del nostro Sole in una sfera più o meno larga quanto l’isola di Manhattan. Le pulsar, che sono una classe di stelle di neutroni, ruotano fino a centinaia di volte al secondo e gettano raggi di energia verso di noi ad ogni rotazione. J0030 gira 205 volte al secondo.

Per decenni, gli scienziati hanno cercato di capire esattamente come funzionano le pulsar. Nel modello più semplice, una pulsar ha un potente campo magnetico, così forte che strappa le particelle dalla superficie della pulsar e le accelera. Alcune particelle seguono il campo magnetico e colpiscono il lato opposto, riscaldando la superficie e creando punti caldi ai poli magnetici. Tutta la pulsar si illumina debolmente nei raggi X, ma i punti caldi sono più luminosi. Mentre l’oggetto ruota, questi punti si spostano dentro e fuori dalla vista come i raggi di un faro, producendo variazioni estremamente regolari nella luminosità dei raggi X dell’oggettoMa i nuovi studi NICER su J0030 mostrano che le pulsar non sono così semplici.

Utilizzando le osservazioni di NICER da luglio 2017 a dicembre 2018, due gruppi di scienziati hanno mappato i punti caldi di J0030 utilizzando metodi indipendenti e si sono basati su risultati simili per massa e dimensioni. Una squadra guidata da Thomas Riley, dottorando in astrofisica computazionale con la supervisione di Anna Watts, professoressa di astrofisica all’Università di Amsterdam, hanno determinato che la pulsar è circa 1,3 volte la massa del Sole e 25,4 chilometri di larghezza. Cole Miller, professore di astronomia all’Università del Maryland (UMD) che ha guidato la seconda squadra, ha scoperto che J0030 è circa 1,4 volte la massa del Sole e leggermente più grande, larga circa 26 km.

animazione che mostra la simulazione della pulsar con un possibile campo magnetico quadripolo
Simulazione di una possibile configurazione del campo magnetico quadrupolo per una pulsar con punti caldi solo nell’emisfero meridionale. Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center

Quando abbiamo iniziato a lavorare su J0030, la nostra comprensione di come simulare le pulsar era incompleta, e lo è ancora“, ha detto Riley. “Ma grazie ai dati dettagliati di NICER, agli strumenti open source, ai computer ad alte prestazioni e al grande lavoro di squadra, ora disponiamo di un framework per lo sviluppo di modelli più realistici di questi oggetti“.

Una maggiore precisione

Una pulsar è così densa che la sua gravità deforma il vicino spazio-tempo – il “tessuto” dell’universo come descritto dalla teoria della relatività generale di Einstein – più o meno allo stesso modo in cui una palla da bowling su un trampolino allunga la superficie. Lo spazio-tempo è così distorto che la luce dal lato della pulsar rivolta verso di noi viene “piegata” e reindirizzata alla nostra vista. 

Questo rende la stella più grande di quello che è. L’effetto significa anche che i punti caldi non possono mai scomparire completamente mentre ruotano verso il lato più lontano della stella. NICER misura l’arrivo di ogni x-ray da una pulsar a un valore superiore a cento nanosecondi, una precisione circa 20 volte superiore a quella precedentemente disponibile, quindi gli scienziati possono, per la prima volta, sfruttare questo effetto.

Le misurazioni senza precedenti dei raggi X di NICER ci hanno permesso di effettuare i calcoli più precisi e affidabili fino ad oggi delle dimensioni di una pulsar, con un’incertezza inferiore al 10%“, ha affermato Miller. “L’intero team di NICER ha dato un importante contributo alla fisica fondamentale che è impossibile da sondare nei laboratori sulla Terra.”

Le nuove simulazioni

La nostra vista dalla Terra si affaccia sull’emisfero settentrionale di J0030. Quando i team hanno mappato le forme e le posizioni dei punti di J0030, si aspettavano di trovarne uno in base all’immagine classica delle pulsar, ma non lo hanno trovato. Invece, i ricercatori hanno identificato fino a tre “punti caldi”, tutti nell’emisfero meridionale.

Riley e i suoi colleghi hanno eseguito cicli di simulazioni utilizzando cerchi sovrapposti di diverse dimensioni e temperature per ricreare i segnali dei raggi x. L’esecuzione delle loro analisi sul supercomputer nazionale olandese Cartesius ha richiesto meno di un mese, ma avrebbe richiesto circa 10 anni su un moderno computer desktop. La loro soluzione identifica due punti caldi, uno piccolo e circolare e l’altro lungo e a forma di mezzaluna.

Il gruppo di Miller ha eseguito simulazioni simili, ma con ovali di diverse dimensioni e temperature, sul supercomputer Deepthought2 di UMD. Hanno trovato due possibili e ugualmente probabili configurazioni. Uno ha due ovali che corrispondono perfettamente al modello trovato dalla squadra di Riley. La seconda soluzione aggiunge un terzo punto più freddo leggermente inclinato rispetto al polo di rotazione sud della pulsar.

Le previsioni teoriche precedenti suggerivano che le posizioni e le forme dei punti caldi potrebbero variare, ma gli studi J0030 sono i primi a mappare queste caratteristiche di superficie. Gli scienziati stanno ancora cercando di determinare perché i punti caldi di J0030 sono disposti e modellati in quel modo, ma per ora è chiaro che i campi magnetici della pulsar sono più complicati del tradizionale modello a due poli.

Il principale obiettivo scientifico di NICER è determinare con precisione le masse e le dimensioni di diverse pulsar. Con queste informazioni gli scienziati saranno finalmente in grado di decifrare lo stato della materia nei nuclei delle stelle di neutroni, materia schiacciata da enormi pressioni e densità che non possono essere replicate sulla Terra.  

È straordinario, e anche molto rassicurante, che i due team abbiano raggiunto dimensioni, masse e modelli hot spot simili per J0030 utilizzando approcci con modelli diversi“, ha affermato Zaven Arzoumanian, responsabile scientifico della NICER presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. “Ci dice che NICER è sulla strada giusta per aiutarci a rispondere a una vecchia domanda in astrofisica: quale forma assume la materia nei nuclei ultra densi delle stelle di neutroni?

NICER

NICER è una missione di astrofisica all’interno del programma Explorers della NASA, che offre frequenti opportunità di volo per ricerche scientifiche di livello mondiale dallo spazio utilizzando approcci di gestione innovativi, snelli ed efficienti all’interno delle aree scientifiche di eliofisica e astrofisica. La direzione della missione della tecnologia spaziale della NASA supporta il componente SEXTANT della missione, dimostrando la navigazione su veicoli spaziali basati su pulsar.

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