Negli anni ’80, gli scienziati hanno cominciato a scoprire una nuova classe di fonti di raggi X estremamente luminose nelle galassie. Queste fonti erano una sorpresa, in quanto si trovavano lontano dai buchi neri super-massicci trovati al centro delle galassie. All’inizio i ricercatori pensavano che molte di queste fonti di raggi X ultra-luminose (ULX) fossero buchi neri contenenti masse di circa 100-100.000 volte quella del sole. Successivamente, alcune di loro sono apparse come buchi neri di massa stellare, contenenti fino a poche decine di volte la massa del sole.
Nel 2014, le osservazioni con il telescopio NuSTAR della NASA e il Chandra X-ray Observatory hanno dimostrato che alcune ULX, che brillano di luce a raggi X della stessa luminosità dell’emissione totale a tutte le lunghezze d’onda di milioni di soli, sono oggetti meno massicci, chiamati stelle di neutroni. Si tratta di nuclei infuocati di stelle massicce che sono esplose. Le stelle di neutroni in genere contengono solo circa 1.5 volte la massa del sole. 3 ULX sono state identificate come stelle di neutroni negli ultimi anni. Gli scienziati hanno scoperto regolari “pulsazioni” nell’emissione di raggi X dalle ULX, comportamento mostrato dalle stelle di neutroni ma non dai buchi neri.
Ora gli scienziati usando i dati del Chandra X-ray Observatory hanno identificato una quarta ULX come stella di neutroni e scoperto nuovi indizi su come questi oggetti possano brillare in maniera così luminosa. La nuova ULX si trova nella galassia Whirlpool, conosciuta anche come M51. Questa immagine della galassia contiene raggi X provenienti dal Chandra (viola) e dati ottici dell’Hubble Space Telescope (rosso, verde e blu). L’ULX è segnata con un cerchio.
Le stelle di neutroni sono oggetti estremamente densi: un cucchiaino peserebbe oltre un miliardo di tonnellate. L’intensa gravità delle stelle di neutroni spinge il materiale circostante lontano dalle stelle gemelle e mentre questo materiale precipita verso la stella di neutroni, si riscalda e brilla di raggi X. Man mano che sempre più materia precipita sulla stella di neutroni, si arriva ad un punto in cui la pressione della luce dei raggi X diventa così intensa da spingere via la materia. Questo punto è chiamato limite di Eddington e rappresenta il momento in cui gli oggetti non riescono ad accumulare ancora materia ed emettono ulteriori raggi X. I nuovi risultati dimostrano che questa ULX supera il limite di Eddington per una stella di neutroni.
Gli scienziati hanno analizzato i dati d’archivio sui raggi X ottenuti dal Chandra e hanno scoperto un insolito calo nello spettro di raggi X dell’ULX, che è l’intensità dei raggi X misurata a diverse lunghezze d’onda. Sono arrivati alla conclusione che il calo probabilmente deriva da un processo che si verifica quando particelle cariche (protoni o elettroni) ruotano intorno ad un campo magnetico. Le dimensioni del calo nello spettro dei raggi X implicano forze di campo magnetico almeno 10.000 volte più grandi di quelle associate alla materia che vortica in un buco nero di massa stellare, ma rientrano nell’intervallo osservato per le stelle di neutroni. Questo fornisce la prova evidente che questa ULX è una stella di neutroni e non un buco nero ed è la prima identificazione di questo tipo che non coinvolge il rilevamento di pulsazioni di raggi X.
Se sono coinvolti i protoni, i campi magnetici intorno alla stella di neutroni sono estremamente forti e possono aiutare a superare il limite di Eddington. Campi magnetici così forti potrebbero ridurre la pressione dei raggi X dell’ULX, che di solito spinge via la materia, permettendo alla stella di neutroni di consumare più materia del previsto. Al contrario, se sono coinvolti elettroni, l’intensità del campo magnetico intorno alla stella di neutroni sarebbe circa 10.000 volte meno forte e, quindi, non sufficientemente potente per superare il limite di Eddington.
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