Una pulsar ultraluminosa travestita da buco nero

Una sorgente di raggi X che si pensava fosse un buco nero è invece la pulsar più brillante finora conosciuta che inghiotte grandi quantità di materia da una stella compagna. La sua luminosità è 10 milioni di volte quella del Sole. Questa pulsar emette la quantità di radiazione di un buco nero, ma ha una massa molto inferiore.

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Immagine della galassia M 82, soprannominata “galassia Sigaro” che dista da noi circa 12 milioni di anni luce, ottenuta dal telescopio da 2,10 metri di apertura dell’osservatorio di Kitt Peak (Arizona). Nel riquadro, l’immagine in falsi colori dell’emissione X (in colore magenta) della sorgente M82 X-2, situata al centro della galassia. A differenza di quanto creduto in precedenza, si tratta di una pulsar, e non di un buco nero, appartenente a un sistema binario che emette una quantità di energia pari a circa 10 milioni di volte quella prodotta dal Sole. | NASA/JPL-Caltech/SAO/NOAO

Una potente sorgente di raggi X, denominata ULX (acronimo di Ultraluminous X-ray Source) che si credeva fosse un buco nero è invece la pulsar più brillante finora conosciuta. Gli ULX sono oggetti che producono più raggi X della maggior parte dei normali sistemi binari a raggi X, in cui una comune stella orbita attorno a una stella di neutroni o a un buco nero di massa stellare.

 

Finora si pensava l’energia emessa dagli ULX avesse origine dalla materia che viene fagocitata da un buco nero e che la maggior parte di questi oggetti avesse una massa compresa tra 10 e 50 volte quella del Sole, e sino a 100 masse solari nel caso degli ULX più brillanti.

 

Non è un buco nero. Adesso, però, un gruppo di astronomi della NASA, utilizzando i dati raccolti dall’osservatorio orbitante per raggi X NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) è riuscito a stabilire la natura di uno dei due ULX conosciuti in corrispondenza del centro della galassia M 82, che dista da noi circa 12 milioni di anni luce.

 

Nel breve filmato qui in basso una rappresentazione del meccanismo di emissione di raggi X da parte della pulsar M82X-2 (NASA/JPL).

 

L’analisi di questi dati mostra delle variazioni regolari, o pulsazioni, una volta ogni 1,37 secondi, nell'oggetto conosciuto come M82X-2. Queste pulsazioni, a loro volta, variano in modo regolare con una periodicità di 2,5 giorni.

 

Questo tipo di pulsazioni non sono osservate nelle binarie X in cui uno dei componenti è un buco nero, ma sono invece caratteristiche delle cosiddette pulsar, stelle di neutroni in rapidissima rotazione, mentre la variazione di periodo più lungo è dovuta al moto orbitale della stella e dell’oggetto compatto attorno al comune baricentro. Supponendo che la massa della pulsar sia 1,4 volte quella del Sole (il valore comune per una stella di neutroni), i dati implicano che la massa della stella compagna è pari ad almeno 5,2 volte la massa del Sole.

 

Questa scoperta è importante perché può significare che le pulsar costituiscono una parte significativa della popolazione delle ULX.

 

L’altro osservatorio orbitante per raggi X della NASA, Chandra, aveva osservato M82X-2 in precedenza senza rilevare alcuna pulsazione, ma grazie alla sua eccellente risoluzione spaziale è riuscito a separare M82X-2 dall'altra ULX vicina (M82X-1) ed escludere così i contributi di altre possibili sorgenti di raggi X. Confrontando quindi i dati ottenuti da Chandra con quelli di NuSTAR, è stato possibile stabilire che responsabile delle pulsazioni è M82X-2.

 

Pulsar nella costellazione del Centauro.
Rappresentazione artistica della pulsar PSR J1311-3430, nella costellazione del Centauro: completa un'orbita attorno alla sua binaria in 93 minuti, tempo che le occorre per completare anche 2.800.000 rotazioni su se stessa. |

Una pulsar da record. Oltre alle pulsazioni, la luminosità complessiva in raggi X di M82X-2 è variabile su scale temporali della durata di settimane e mesi. La radiazione X emessa è più di 10 volte superiore a quella di qualsiasi pulsar nota che è alimentata dall’accrescimento di materiale da una stella compagna. È così brillante che si pensava che solo un buco nero di massa compresa tra 50 a 100 masse solari poteva spiegare una tale luminosità. L’energia sotto forma di raggi X che viene irradiata da M82X-2 è pari a 10 milioni di volte quella emessa in totale dal Sole!

 

Modelli da rivedere. I risultati di questo studio obbligheranno i teorici a sviluppare dei modelli che spieghino come una pulsar può attirare una così grande quantità di materia da produrre l’enorme flusso di raggi X osservato. Quando la materia è attirata e cade verso un oggetto compatto ultradenso, come una pulsar, una stella di neutroni o un buco nero, è riscaldata a temperature di milioni di gradi e produce raggi X. Questo enorme flusso di energia crea però una pressione di radiazione che tende a respingere la materia. Perché sull’oggetto compatto possa accrescersi della materia, la pressione di radiazione dei raggi X deve essere inferiore alla forza di gravità dell'oggetto compatto.

 

Il limite di Eddington. Nel caso di M82X-2, la sua luminosità in raggi X è però circa 100 volte superiore alla soglia alla quale la pressione verso l'esterno prodotta dalla radiazione equilibra la spinta verso l'interno della gravità della pulsar, il cosiddetto limite di Eddington. Una possibile spiegazione per la violazione di questo limite è che la materia in caduta verso la pulsar venga incanalata e accelerata lungo le linee di forza del fortissimo campo magnetico.

 

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10 ottobre 2014 | Mario Di Martino