La missione X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) ha rivelato una differenza inaspettata tra i potenti venti che si generano da un disco attorno a una stella di neutroni e quelli provenienti da materiale che circonda buchi neri supermassicci. Il vento sorprendentemente denso che soffia dal sistema stellare mette in discussione la nostra comprensione di come tali venti si formano e guidano il cambiamento nell’ambiente circostante. Il 25 febbraio 2024, XRISM ha utilizzato il suo strumento Resolve per osservare la stella di neutroni GX13+1, il nucleo spento di una stella un tempo più grande. GX13+1 è una brillante fonte di raggi X. I raggi X provengono da un disco di materia incandescente, noto come disco di accrescimento, che sta gradualmente spiraleggiando per colpire la superficie della stella di neutroni.
Tali flussi di materia in entrata alimentano anche flussi in uscita che influenzano e trasformano l’ambiente cosmico. Tuttavia, i dettagli su come questi flussi in uscita vengano prodotti rimangono oggetto di ricerca continua. Questo è il motivo per cui XRISM stava osservando GX13+1.
Dato il potere senza precedenti di Resolve di individuare l’energia dei fotoni X in arrivo, il team di XRISM si aspettava di vedere quei dettagli come mai prima d’ora. “Quando abbiamo visto per la prima volta l’abbondanza di dettagli nei dati, abbiamo avuto la sensazione di essere testimoni di un risultato che avrebbe cambiato le carte in tavola”, ha affermato Matteo Guainazzi, scienziato del progetto ESA XRISM. “Per molti di noi, è stata la realizzazione di un sogno che inseguivamo da decenni“.
I venti del cambiamento cosmico
Questi venti cosmici sono molto più che semplici curiosità scientifiche: sono i venti che guidano il cambiamento cosmico. Appaiono anche dai sistemi di buchi neri supermassicci che si trovano nei centri delle galassie e possono causare la formazione di stelle innescando il collasso di nubi molecolari giganti, oppure possono bloccare la formazione stellare riscaldando e disperdendo quelle nubi. Gli astronomi chiamano questo processo “feedback“, e può essere così potente che i venti provenienti da un buco nero supermassiccio possono controllare la crescita dell’intera galassia madre.
Poiché i meccanismi che generano i venti dai buchi neri supermassicci possono essere fondamentalmente gli stessi di quelli in azione attorno a GX13+1, il team ha scelto di osservare GX13+1 perché è più vicina e quindi appare più luminosa rispetto alle varietà di buchi neri supermassicci, il che significa che può essere studiata in modo più dettagliato.
C’è stata una sorpresa. Pochi giorni prima che le osservazioni dovessero avere luogo, GX13+1 è diventata inaspettatamente più luminosa, raggiungendo o addirittura superando un limite teorico noto come limite di Eddington.
Il principio alla base di questo limite è che man mano che più materia cade su un oggetto compatto come un buco nero o una stella di neutroni, viene rilasciata più energia. Più velocemente viene rilasciata l’energia, maggiore è la pressione che essa esercita su altro materiale in caduta, spingendone di più nello spazio. Al limite di Eddington, la quantità di luce ad alta energia prodotta è essenzialmente sufficiente a trasformare quasi tutta la materia in caduta in un vento cosmico. E Resolve si trovava a osservare GX13+1 proprio mentre questo evento sbalorditivo stava accadendo.
“Non avremmo potuto programmarlo neanche se ci avessimo provato“, ha evidenziato Chris Done, dell’Università di Durham, nel Regno Unito, ricercatore principale dello studio. “Il sistema è passato da circa la metà della sua emissione di radiazioni massima a qualcosa di molto più intenso, creando un vento che era più denso di quanto avessimo mai visto prima“.
Un vento misteriosamente lento
Misteriosamente, però, il vento non viaggiava alla velocità che gli scienziati di XRISM si aspettavano. Rimaneva intorno a 1 milione di km/h. Sebbene sia veloce per qualsiasi standard terrestre, è decisamente lento se paragonato ai venti cosmici prodotti vicino al limite di Eddington attorno a un buco nero supermassiccio. In quella situazione, i venti possono raggiungere il 20-30% della velocità della luce, più di 200 milioni di km/h.
“Mi sorprende ancora quanto sia ‘lento’ questo vento“, ha affermato Done, “così come quanto sia denso. È come guardare il Sole attraverso una fitta nebbia che si avvicina a noi. Tutto diventa più fioco quando la nebbia è fitta“.
Non è stata l’unica differenza che il team ha osservato. XRISM aveva in precedenza rivelato un vento da un buco nero supermassiccio al limite di Eddington. Lì il vento era ultraveloce e a grumi, mentre il vento in GX13+1 è lento e scorre in modo uniforme.
“I venti erano completamente diversi, ma provengono da sistemi che sono circa gli stessi in termini di limite di Eddington. Quindi, se questi venti sono davvero alimentati solo dalla pressione di radiazione, perché sono diversi?” chiede Done.
Il team ha proposto che la differenza risieda nella temperatura del disco di accrescimento che si forma attorno all’oggetto centrale. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, i buchi neri supermassicci tendono ad avere dischi di accrescimento che sono a temperature inferiori rispetto a quelli attorno a sistemi binari di massa stellare con buchi neri o stelle di neutroni.
Ciò accade perché i dischi di accrescimento attorno ai buchi neri supermassicci sono più grandi. Sono anche più luminosi, ma la loro potenza è distribuita su un’area più ampia: tutto è più grande attorno a un buco nero grande. Pertanto, il tipico tipo di radiazione rilasciata da un disco di accrescimento di un buco nero supermassiccio è ultravioletta, che trasporta meno energia rispetto ai raggi X rilasciati dai dischi di accrescimento binari stellari.
Poiché la luce ultravioletta interagisce con la materia molto più prontamente dei raggi X, Chris e i suoi colleghi ipotizzano che questo possa spingere la materia in modo più efficiente, creando i venti più veloci osservati nei sistemi di buchi neri.
Se ciò è vero, la scoperta promette di ridefinire la nostra comprensione di come l’energia e la materia interagiscono in alcuni degli ambienti più estremi dell’Universo, fornendo una visione più completa dei complessi meccanismi che modellano le galassie e guidano l’evoluzione cosmica.
“La risoluzione senza precedenti di XRISM ci permette di studiare questi oggetti – e molti altri – con un dettaglio maggiore, aprendo la strada al telescopio a raggi X ad alta risoluzione di prossima generazione come NewAthena” ha evidenziato Camille Diez, ricercatrice ESA.
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