Scienzapertutti

3. Le sorgenti galattiche

percorso di Elisabetta Bissaldi, Francesco de Palma, Leonardo Di Venere e Fabio Gargano

 

Il nostro Sistema Solare si trova all’interno di una struttura stellare molto più grande detta Galassia o Via Lattea. Nella nostra Galassia, che è di tipo a “spirale”, sono presenti centinaia di miliardi di stelle. Alcune di queste emettono radiazione gamma e sono quindi rivelabili da Fermi. In particolare, in più di 12 anni di osservazioni, LAT ha accumulato una grande quantità di dati riguardanti due tipologie di sorgenti presenti nella nostra Galassia: le “pulsar” ed i “resti di supernova”.


Le pulsar sono stelle di neutroni in rapida rotazione che emettono in modo periodico impulsi di luce in un'ampia porzione dello spettro elettromagnetico, dal radio al gamma. Il loro periodo di rotazione va da alcuni millesimi di secondo ad alcuni secondi. Sono caratterizzate dall’avere una massa simile a quella del nostro Sole, ma un raggio di qualche decina di km, ovvero sono miliardi di volte più dense del Sole. Esse rappresentano infatti gli oggetti stellari più densi dopo i buchi neri. Inoltre, le pulsar sono spesso ciò che rimane di alcune stelle dopo la loro esplosione come, ad esempio, una supernova.

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Ref. https://nasa.tumblr.com/post/163637443034/five-famous-pulsars-from-the-past-50-years

Fig.1 Esempi di rotazione delle pulsar

In questi anni LAT ha misurato l’emissione gamma proveniente da circa 250 pulsar della nostra Galassia. Molte di queste pulsar erano sconosciute prima che LAT le rivelasse e rappresentano quindi delle vere e proprie scoperte di Fermi. A questo link potete trovare una lista sempre aggiornata delle pulsar osservate da Fermi-LAT.


La scoperta di nuove pulsar

Fermi-LAT, in quasi 70 casi, ha rivelato una nuova sorgente di raggi gamma con caratteristiche simili a quella di una pulsar, ma mai catalogata in passato come tale. Per risolvere il mistero si è in questi casi chiesta la collaborazione dei radio-astronomi che hanno puntato i radiotelescopi, ovvero telescopi sensibili alle onde radio, verso queste sorgenti per cercare di misurarne le caratteristiche e poter confermare o meno che si trattasse effettivamente di nuove pulsar. La combinazione dei dati radio e di quelli gamma consente una migliore comprensione di come l'energia rotazionale della stella viene convertita in luce ed è un importante esempio di osservazioni multi-lunghezza d’onda, ovvero fatte da telescopi che osservano il cielo guardando energie diverse della radiazione elettromagnetica.


La vedova nera

Molti sistemi stellari nella nostra Galassia sono binari, ovvero sono formati da due stelle in rotazione una intorno all’altra. Alcuni di questi sono formati da una pulsar e da una stella compagna. Trovare una pulsar in un sistema binario suggerisce che il compagno sia sopravvissuto all'esplosione della supernova che ha formato la pulsar, ma tali sistemi possono anche formarsi quando una pulsar solitaria viene attratta e catturata in orbita dall'attrazione gravitazionale di una stella. Alcuni di questi sistemi sono detti «vedova nera» e sono formati da una stella di piccola massa (circa un centesimo o un millesimo della massa del Sole) che orbita molto vicino ad una pulsar. L'energia rilasciata dalla pulsar lentamente consuma la compagna che perde materia. La materia liberata a causa della forte attrazione gravitazionale finisce per ricadere sulla stessa pulsar che quindi, nel giro di qualche milione di anni, si “mangia” il suo compagno: da qui il nome di “vedova nera”.

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Fig.2 Esempio di sistema binario "vedova nera"

Ref. https://svs.gsfc.nasa.gov/11215


Le pulsar al millisecondo

Una regola per capire l’età della pulsar è misurarne il periodo di rotazione, ovvero quanto velocemente ruota intorno al proprio asse. Le pulsar più giovani ruotano molto più velocemente di quelle più vecchie. Infatti, man mano che le pulsar emettono energia, rallentano fino ad avere una velocità di rotazione così bassa che non è più sufficiente a far emettere loro energia. Una eccezione a questa regola sono le millisecond pulsar (di cui le vedove nere sono una sottocategoria). Queste sono pulsar molto vecchie che si trovano in un sistema binario insieme con una compagna, generalmente una stella gigante gassosa, alla quale sottraggono materia grazie al loro intenso campo gravitazionale. Questa materia, nella sua caduta verso la pulsar, le ruota attorno, riaccelerandola sino a farla ruotare intorno al suo asse anche 1000 volte al secondo.

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Fig.3 Esempio di pulsar al millisecondo

Ref. https://sci.esa.int/web/integral/-/52867-an-ordinary-pulsar-evolving-into-a-millisecond-pulsar


Le più brillanti

Alcune delle pulsar più brillanti studiate da Fermi sono:
Vela - Rappresenta la fonte più luminosa e stabile di raggi gamma nel cielo e si trova a circa 960 anni luce da noi. Vela ruota 11 volte al secondo, compiendo dunque 660 giri al minuto, molto più velocemente delle pale di un elicottero, ma piuttosto lentamente se confrontato con altre pulsar!

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Fig.4 Immagine X-IR e illustrazione di Geminga

Ref. https://chandra.harvard.edu/photo/2017/geminga/


Geminga - Stella di neutroni distante approssimativamente 815 anni luce dalla Terra nella costellazione dei Gemelli. Scoperta dal fisico italiano Giovanni Bignami nei raggi gamma dal satellite SAS-2 della NASA negli anni settanta, la sua reale natura è rimasta misteriosa per i successivi venti anni poichè è stata la prima pulsar ad essere osservata nei raggi gamma che non emetteva anche nel radio. Il suo nome è l’acronimo di "Gemini gamma-ray source" ma anche, letto alla tedesca, con la G dura, ricorda l’espressione del dialetto milanese "gh'è minga" ovvero "non c'è", proprio ad indicare che non vi era traccia di questa sorgente nelle onde radio. Geminga è stata la prima pulsar di questo tipo osservata, ma grazie alle osservazioni di LAT, ora non è più la sola con queste caratteristiche.


I resti di Supernova (normalmente abbreviati con SNR dal termine inglese “Supernova remnant”) costituiscono una categoria di sorgenti Galattiche, originate dopo l’esplosione di una Supernova, da cui il nome. Tali esplosioni avvengono alla fine della vita di alcune stelle. Infatti, quando una stella molto massiccia termina il suo combustibile, l’attrazione gravitazionale dovuta all’enorme quantità di materia (presente sotto forma di gas), porta al collasso della stella su se stessa. Questo collasso può sfociare in un’esplosione, detta esplosione di Supernova. In altri casi, invece, una simile esplosione può originarsi da una piccola stella, detta nana bianca, che interagisce con una stella vicina, detta compagna, assorbendone materiale. Quando la massa della stella raggiunge un valore ben preciso, detto massa critica, l’attrazione gravitazionale diventa troppo intensa e avviene l’esplosione.
Durante un’esplosione di Supernova viene espulsa la maggior parte della materia che componeva la stella. Tale materia genera un’onda d’urto ultrasonica che si propaga nel mezzo circostante, ‘spazzando’ tutto ciò che incontra. In particolare, il mezzo interstellare è costituito da gas e da particelle elementari, quali il protone e l’elettrone. Quando queste particelle vengono investite dall’onda d'urto, esse acquistano energia, fino a raggiungere elevatissime energie pari a milioni di miliardi di elettronvolt. Interagendo poi con il materiale presente nell'ambiente circostante, esse producono raggi gamma, che giungono fino a noi e vengono rivelati dal satellite Fermi. Il meccanismo di accelerazione di queste particelle tramite onde d'urto come quelle delle Supernovae, fu teorizzato per la prima volta dal fisico Enrico Fermi, e permette di spiegare come sia possibile raggiungere le elevatissime energie osservate sulla Terra nei raggi cosmici. L'osservazione di numerosi SNR con il LAT ha permesso di confermare questa teoria. Dal 2008 ad oggi, Fermi ha potuto osservare più di 50 SNR sparsi nella galassia. Di seguito sono mostrati alcuni esempi.

IC 443 e W 44 - Si tratta di due SNR tra i più brillanti nella nostra Galassia. IC 443, noto anche come Nebulosa Medusa, è situato nella costellazione dei Gemelli, a circa 5000 anni luce dalla Terra. Si crede che sia stato originato da una Supernova esplosa in un periodo compreso tra 3000 e 30.000 anni fa. W 44, invece, si trova a 9500 anni luce dalla Terra verso la costellazione dell’Aquila e si pensa si sia originato da una esplosione di Supernova avvenuta circa 20000 anni fa. Entrambi questi SNR si sono originati dalla esplosione di una stella molto massiva. I raggi gamma prodotti sono dovuti alla presenza di una densa nube di gas situata nelle vicinanze dei due SNR.

nebiolosa dettaglio nebulosa 

Fig.5 Immagini multifrequenza di IC443 (sinistra) e W44 (destra)

Colori diversi corrispondono a frequenze diverse: magenta: raggi gamma, giallo: radio, rosso: infrarossi; blu raggi X

Ref. https://apod.nasa.gov/apod/ap060602.html
Ref. https://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/supernova-cosmic-rays.html

Nebulosa del Granchio - Resto di supernova visibile nella costellazione del Toro, scoperta nel 1731, che rappresenta la prima sorgente del catalogo di oggetti astronomici pubblicato da Charles Messier nel 1774. Distante circa 6500 anni luce da noi, essa è formata dai gas in espansione espulsi durante l'esplosione di una Supernova nel 1054. Tale evento venne registrato dagli astronomi cinesi e arabi dell'epoca, poiché la sua luminosità era tale da renderla visibile ad occhio nudo addirittura durante il giorno! Al centro della nebulosa si trova la pulsar del Granchio, scoperta nel 1968: fu la prima osservazione di un'associazione tra pulsar e resti di supernova. La Nebulosa Granchio è spesso usata come sorgente di calibrazione nell'astronomia a raggi X e gamma.

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