Grazie alle straordinarie capacita’ dei satelliti X della NASA, Rossi-XTE, e dell’ESA, XMM-Newton, un gruppo di ricercatori italiani (delle Universita’ di Cagliari - Prof. Luciano Burderi e Dott. Alessandro Riggio, Dip. Fisica-, Roma "Tor Vergata" e Palermo e dell’Osservatorio Astronomico di Roma - INAF) hanno potuto misurare l’ allungamento del periodo orbitale del sistema contenente la pulsar in accrescimento in rapida rotazione (periodo di rotazione: 2.5 millisecondi) SAXJ1808.4-3658. Il tasso di incremento, sorprendentemente stabile, ha determinato una crescita del predetto periodo di 1.2 millisecondi in dieci anni, corrispondente ad un allargamento dell’ orbita di circa due metri! L’ esiguita’ dell’ effetto, che ha richiesto una analisi molto accurata di una grande mole di dati, ha tuttavia implicazioni fondamentali per la comprensione dell’ evoluzione e del destino ultimo di questi affascinanti sistemi astronomici. In essi, l’ emissione di radiazione X da parte di un plasma ad alcune diecine di milioni di gradi proviene dalla componente "compatta" del sistema binario: si tratta di una stella di neutroni, cioe’ una stella con massa pari a 1.5 volte quella del nostro Sole ma delle dimensioni di una citta’, 10 km di raggio. Questi oggetti sono cosi’ densi che un cucchiaino della materia di cui sono fatte peserebbe quanto l’intera umanita’. Le stelle di neutroni possiedono anche i campi magnetici piu’ intensi nell’Universo. Nel nostro caso il campo magnetico dovrebbe avere un valore di alcune centinaia milioni di Gauss: piu o meno un miliardo di volte piu’ intenso del campo magnetico terrestre.


Immagine artistica del bordo interno del disco di accrescimento nelle vicinanze di una pulsar

Il forte campo gravitazionale della stella di neutroni e’ in gradi di strappare materia da una stella compagna; la materia trasferita cade spiraleggiando verso la stella di neutroni formando cosi’ un disco di accrescimento. Gli astronomi osservano cosi’ nei raggi X l’energia rilasciata dalla materia in caduta. Le particelle al bordo interno del disco di accrescimento possiedono un alto momento angolare che viene trasferito alla stella di neutroni al momento dell’impatto con la sua superficie. Questo fa
accelerare la stella di neutroni che alla fine raggiunge velocita’ di rotazioni altissime, corrispondenti a 400 giri in un secondo nel caso di SAX J1808.4-3658. Vicino alla stella di neutroni, il suo campo magnetico incanala la materia trasferita verso i poli magnetici della stella, dove la materia, a causa dell’impatto con la superficie, rilascia gran parte della sua energia. La rotazione dei poli magnetici intorno all’asse di rotazione della stella di neutroni provoca il tipico effetto faro e l’emissione dalla stella di neutroniapparira’ pulsata, da qui il nome di pulsar.

Le pulsar al millisecondo rappresentano gli orologi piu’ precisi dell’Universo, e lo studio delle piccole variazioni sinusoidali del periodo di rotazione della stella di neutroni, indotte dal moto orbitale attorno alla stella compagna, permette di ricavare il periodo orbitale del sistema, ed anche la sua evoluzione nel tempo. In particolare, la misura della derivata del periodo orbitale del sistema binario puo’ dare importanti informazioni non solo sulle stelle componenti il sistema, ma anche sull’evoluzione secolare del sistema binario. Tale misura e’ stata effettuata grazie ad uno studio temporale di altissima precisione su dati provenienti dai satelliti Rossi-XTE ed XMM-Newton su una base temporale di 10 anni. Sorprendentemente, questa derivata e’ circa un ordine di grandezza piu’ grande di quello che ci si aspettava per l’evoluzione standard di questo tipo di sistemi, ed e’ rimasta pressocche’ costante su una base temporale di 10 anni.


Immagine artistica del sistema secondo il modello del gruppo di ricerca


Usando semplici considerazioni sulla conservazione del momento angolare del sistema, si trova che e’ possibile spiegare questa derivata assumendo che la massa trasferita dalla stella compagna venga solo in minima parte accresciuta sulla stella di neutroni e per la maggior parte (99% circa) espulsa dal sistema binario. Questo suggerisce un nuovo canale evolutivo per questo tipo di sistemi, che farebbero parte della popolazione delle cosiddette Black Widow (Vedove Nere), cioe’ pulsar al millisecondo che investono la stella compagna con la formidabile pressione della radiazione emessa dall’ enorme campo magnetico in rapida rotazione
erodendo lentamente la materia du cui essa e’ costituita. La probabile fine di questo sistema si avra’ con la totale distruzione della compagna (donde il nome Vedova Nera). Sotto questa ipotesi gli studiosi hanno ricavato ulteriori importanti informazioni sul sistema binario, per esempio che la massa delle stella compagna e’ compresa tra 0.053 e 0.14 masse solari e che l’inclinazione del sistema rispetto alla linea di vista e’ compresa tra i 26 ed i 44 gradi, informazioni importanti altrimenti difficilmente reperibili. L’articolo, che riporta l’analisi temporale dei dati provenienti da Rossi RXTE ed XMM-Newton, e’ stato accettato da Astronomy & Astrophysics Letters e sara’ pubblicato nei prossimi giorni.
 Un’altra delle incognite fondamentali della teoria dell’accrescimento e’ la posizione esatta del punto in cui il campo magnetico tronca il
disco di accrescimento ed incanala la materia verso i poli magnetici. La teoria predice che il raggio interno del disco di accrescimento in una pulsar X che ruota a 2.5 msec debba trovarsi tra il raggio della stella di neutroni (10 km) ed un raggio di 30 km. Da una analisi accurata dei dati provenienti da una osservazione di questo sistema effettuata dal satellite XMM-Newton ad ottobre dello scorso anno e sollecitata proprio da questo gruppo di studiosi in concomitanza di uno dei brevi periodi in cui il sistema emette radiazione nella banda dei raggi X (per una trentina di giorni ogni due anni circa), il gruppo di ricerca hanno recentemente scoperto che il raggio interno del disco si trova ad una distanza tra 12 e 26 km dal centro della stella di neutroni, confermando cosi’ le previsioni della teoria dell’accrescimento su pulsar molto veloci.

Il metodo usato per la misura consiste nello studio di una riga in emissione del Ferro a 6.4 keV che proviene proprio dal disco di accrescimento intorno alla stella di neutroni. Nel forte campo gravitazionale della pulsar, la teoria di Einstein della Relativita’ Generale predice che il tempo debba scorrere piu’ lentamente che rispetto ad un osservatore sulla Terra, e che quindi le frequenze della radiazione emessa debbano apparire piu’ piccole, ovvero "spostate verso il rosso" (redshift, come si dice in termini tecnici). Questo redshift della frequenza della riga, insieme con altre distorsioni del profilo della riga causate dalle alte velocita’ della materia in orbita vicino alla superficie della stella di neutroni (le velocita’ raggiunte sono prossime alla velocita’ della luce), hanno permesso di misurare il raggio interno del disco.

L’articolo, che riporta l’analisi spettrale teste’ descritta dei dati provenienti da XMM-Newton, e’ stato recentemente pubblicato da Astronomy & Astrophysics Letters (vol. 493, pag. L39). Entrambe queste scoperte rappresentano risultati fondamentali per la conferma delle teorie dell’accrescimento su questi sistemi e mostra come le grandi capacita’ degli strumenti a bordo di Rossi-RXTE ed XMM-Newton rappresentino un mezzo potentissimo per sondare le regioni piu’ vicine a questi esotici oggetti celesti.