I blob delle stelle di neutroni e buchi neri

RICERCANDO ALL’ESTERO – I getti relativistici di particelle sono blob di materia emessi da sistemi binari X in seguito all’accelerazione degli elettroni nel disco di accrescimento. I sistemi binari X sono sistemi che contengono un oggetto compatto, cioè una stella di neutroni o un buco nero, e una stella compagna, normalmente di sequenza principale. Quando la stella compagna cede materia all’oggetto compatto, si forma un disco di accrescimento: parte della materia ceduta può venire riaccelerata da campi magnetici e rilanciata sotto forma di blob. Quello che ne deriva è un’emissione di sincrotrone visibile principalmente nella banda radio ma anche nel medio e vicino infrarosso.

La ricerca di Cristina Baglio consiste nel capire se e quando questi getti di particelle sono emessi dalle regioni centrali dei sistemi binari X. In particolare, alla New York University di Abu Dhabi Baglio studia il legame tra l’emissione di getti e lo stato di accrescimento in cui si trovano questi sistemi.

Come si valuta l’emissione di un getto relativistico?

Si usa una tecnica molto potente chiamata polarimetria. La radiazione di sincrotrone, come quella emessa dai getti, è caratterizzata da una polarizzazione intrinseca di tipo lineare con percentuali anche alte, fino al 75%. Quindi, se in un sistema binario ci sono dei getti relativistici, grazie al polarimetro dovrei rilevare una radiazione linearmente polarizzata.

In realtà i gradi di polarizzazione che si osservano per questi blob sono in genere piuttosto bassi, sia in infrarosso sia in ottico: ciò è dovuto, innanzitutto, al fatto che la radiazione del getto è in qualche modo “diluita” dalla radiazione non polarizzata emessa dal disco di accrescimento e dalla stella compagna. Inoltre, in presenza di campi magnetici molto attorcigliati, nel getto si ha un effetto di cancellazione. Quest’ultimo aspetto è molto interessante perché con la polarimetria è possibile avere un’idea di quanto sono attorcigliati i campi magnetici all’interno del getto.

Oltre alla polarimetria, si usano i grafici della distribuzione degli spettri di energia (spectral energy distribution, SED) dei sistemi binari X: si tratta di osservare il flusso emesso in diverse bande, sia nel vicino infrarosso sia in ottico, e vedere la variazione in funzione della frequenza. Le nostre osservazioni vengono fatte con REM (Rapid Eye Mount), un telescopio robotico situato in Cile, gestito dall’INAF e chiamato anche Pink Telescope perché è tutto fuxia. Per un semplice sistema con un disco di accrescimento, la spectral energy distribution ha una forma precisa, ovvero quella di multicolor blackbody; se c’è un getto, alle frequenze basse del vicino infrarosso, al posto della coda del blackbody c’è un eccesso di infrarosso, ovvero più flusso di quanto previsto.

Qual è la relazione tra lo stato di accrescimento dei sistemi binari X e l’emissione dei getti?

Esistono due stati di accrescimento principali, hard e soft, definiti in base alla frequenza dei fotoni emessi dalle sorgenti nei raggi X: stabilita una certa soglia, tutta la radiazione emessa a frequenza più alta è chiamata hard, quella a frequenza più bassa è chiamata soft. Dal rapporto tra i fotoni hard e soft, abbiamo una misura della “durezza” dello spettro della sorgente.

Per i sistemi binari X con buchi neri, si è visto che quando lo stato spettrale è hard si ha emissione di getti di particelle; quando si passa da hard a soft il getto diventa discreto con emissioni di blob nel radio; quando lo stato della sorgente è soft il getto scompare. Sembra quindi esserci una correlazione molto stretta tra emissione di getti e stato in cui si trova la sorgente.

E per quanto riguarda i sistemi binari X con stelle di neutroni?

La correlazione è ancora tutta da verificare, perché le stelle di neutroni sono molto più deboli in termini di emissione ed è più difficile studiare quello che sta succedendo. Tuttavia si c’è un sistema binario, chiamato 1RXS J180408-342058, che nel 2015 ha iniziato ad andare in outburst, ossia ha iniziato in modo esplosivo il processo di accrescimento dalla stella compagna. All’epoca io ero in Cile e, pur lavorando in banda ottica, sono riuscita a osservare questo interessante getto.

Prendendo la SED del sistema, ho valutato la variazione del flusso di energia e ho osservato che c’era un eccesso di infrarosso, quindi un getto. Contemporaneamente, ho analizzato lo stato di accrescimento della sorgente: per la prima volta per una stella di neutroni, sono riuscita a vedere che l’emissione del getto di particelle era legata allo stato hard della sorgente. Qualche mese dopo abbiamo ripetuto le osservazioni: avevamo visto un cambiamento nello stato della sorgente, che da hard era passata allo stato soft, ed eravamo interessati a capire se anche lo spettro di energia era variato. In effetti il grafico era completamente diverso, l’eccesso di infrarosso (e quindi il getto) era scomparso!

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Stiamo lavorando su un buco nero andato in outburst a settembre scorso (2017), di cui abbiamo tantissime osservazioni in infrarosso, medio infrarosso e ottico. Si vede molto bene che quando il sistema passa da stato hard a soft c’è una forte diminuzione del flusso di energia: anche per questo oggetto vale il discorso dell’accretion-ejection coupling, cioè del legame tra accrescimento e emissione di getti.

Il 14 marzo (2018) abbiamo scoperto un nuovo transiente di origine sconosciuta, appena andato in outburst. Grazie alle nostre osservazioni abbiamo avanzato l’ipotesi che possa essere un buco nero, perché paragonando la sua luminosità in banda X e in banda ottica con quella di tutti i sistemi binari, l’oggetto si posiziona proprio tra i buchi neri. Il nome ufficiale del candidato-buco nero è MAXI J1820+070, ma dato che la scoperta è avvenuta nel giorno della scomparsa di Stephen Hawking magari lo cambieremo.

In generale mi piacerebbe unificare tutta la teoria dei getti: ci sono tantissime sorgenti astrofisiche che li emettono, non soltanto i buchi neri e i sistemi binari X ma anche per esempio i blazar, e sarebbe bello trovare una lettura unificata sul loro funzionamento.

Nome: Cristina Baglio
Età: 29 anni
Nata a: Milano
Vivo a: Abu Dhabi (Emirati Arabi Uniti)
Dottorato: fisica e astrofisica (VA)
Ricerca: Tracce di getti in sistemi binari X con stelle di neutroni e buchi neri
Istituto: NYU Abu Dhabi (Emirati Arabi Uniti)
Interessi: mio figlio, ballare, Harry potter/Star Wars/Il signore degli anelli, i film della Marvel
Di Abu Dhabi mi piace: è la città più bella del mondo, la vita è leggera e tranquilla, ha un clima stupendo
Di Abu Dhabi non mi piace: il clima d’estate, la mancanza di divertimenti serali, non c’è il prosciutto
Pensiero: Do. Or do not. There is no try (Yoda, Star Wars)

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