Torniamo a parlarvi della missione NICER della NASA per lo studio delle stelle di neutroni. Nelle due settimane successive al lancio avvenuto lo scorso 3 giugno, NICER è stata estratta dalla capsula Dragon e installata con successo dal braccio robotico sulla Stazione Spaziale Internazionale. NICER è composta da un rilevatore a raggi X e di un inseguitore stellare o star tracker, ossia un dispositivo ottico per la misura delle posizioni delle stelle, come vi avevamo descritto in dettaglio qui.
Gli scienziati hanno quindi dato il via alla fase di test per la calibrazione degli strumenti, osservando ben 40 sorgenti celesti. La NASA ha recentemente rilasciato alcuni dei dati acquisiti durante questa fase preliminare, riguardanti due sistemi stellari binari contenenti stelle di neutroni, che mostrano caratteristiche particolarmente interessanti.
La prima di queste sorgenti è la binaria a raggi X di “piccola” massa chiamata 4U 1608–522, ossia un sistema in cui una stella di neutroni orbita molto vicina a una stella compagna di massa più piccola, alla quale strappa materiale per interazione gravitazionale. Questo materiale, ricco di idrogeno, forma un disco di accrescimento intorno alla stella di neutroni e si accumula via via sulla superficie della stella di neutroni stessa fino a quando, raggiunta la massa critica, si innesca un’esplosione termonucleare, dando origine a un intenso brillamento in raggi X che si esaurisce in breve tempo. NICER ha osservato fortuitamente uno di questi brillamenti in 4U 1608–522, che gli astronomi chiamano Type I X-ray burst. Poiché questa stella di neutroni ruota velocemente, circa 619 volte al secondo, il punto in cui avviene il brillamento entrava ed usciva dal campo di vista di NICER, che ha potuto misurarne le rapide oscillazioni di flusso e come esse si siano evolute durante il brillamento, che è durato circa un minuto. Grazie alle sue caratteristiche di risoluzione temporale e spettroscopica, NICER aiuta gli scienziati a studiare in dettaglio questo tipo di fenomeni, determinando come la temperatura e la luminosità varino nel tempo mentre la “fiamma nucleare” si propaga.
Tenete presente che “piccola” massa è da intendersi in termini astronomici, perché in questi sistemi binari la compagna è una stella di sequenza principale, ossia brucia idrogeno in elio, oppure spesso una stella più evoluta come una gigante rossa, per cui non si parla di massa piccola nel senso “quotidiano” del termine. Nel caso specifico di 4U 1608–522 la stella compagna è una stella di sequenza principale di massa simile a quella del Sole.
Brillamento termonucleare nella stella binaria 4U 1608–522, osservato nei raggi X dalla missione NICER della NASA. Crediti: NASA
La seconda sorgente è, invece, la binaria a raggi X di “grande” massa nota come GX 301–2, ovvero un sistema stellare in cui abbiamo sempre una stella di neutroni in orbita intorno a una stella compagna, che però in questo caso è molto più massiccia, generalmente una stella blu supergigante molto calda e luminosa. Una stella di questo tipo emette venti stellari molto intensi, che raggiungono velocità piuttosto elevate – anche 2000 chilometri al secondo! – che investono la stella di neutroni quando le due stelle si trovano a distanza più ravvicinata. Il vento stellare si ritrova pertanto a essere convogliato sulla superficie della stella di neutroni a causa del suo forte campo gravitazionale, formando una colonna di materiale che viene rapidamente compresso e riscaldato fino a raggiungere temperature di milioni di gradi. Questo fa sì che il materiale emetta raggi X, anche per via dei fenomeni di fluorescenza degli atomi che lo compongono, come ferro e nichel.
Il rivelatore X a bordo di NICER ha potuto determinare sia la composizione chimica che la densità di questo materiale, tramite la tecnica della spettroscopia, che permette di misurare l’energia dei singoli fotoni che compongono la radiazione. Inoltre, poiché la stella di neutroni ruota, questa regione calda appare e scompare, dando luogo a delle pulsazioni in raggi X, che NICER è in grado di seguire su scale temporali molto brevi.
Spettro a raggi X della stella binaria GX 301–2, osservata per 1200 s da NICER. I due picchi stretti nel grafico sono righe di emissione prodotte da atomi ionizzati di ferro e nichel. Crediti: NASA
Queste prime osservazioni hanno permesso non solo di calibrare il rilevatore a raggi X, ma di verificare che NICER sta funzionando proprio come previsto, per cui aspettiamo con entusiasmo l’inizio delle operazione scientifiche vere e proprie che permetteranno agli scienziati di investigare in dettaglio anche come si comporta la materia all’interno di una stella di neutroni. Rimanete sintonizzati su Scientificast per i prossimi aggiornamenti!
Bibliografia:
https://www.nasa.gov/press-release/goddard/2017/nasa-neutron-star-mission-begins-science-operations
https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/objects/heapow/archive/compact_objects/nicer_science.html
http://www.iasf-milano.inaf.it/Divulgazione/divulgazione/doc/binari.pdf