Il centro della Via Lattea è una regione densamente popolata avvolta nella polvere cosmica. Osservarlo in dettaglio è stata una sfida ardua, ma il telescopio ART-XC dell’osservatorio russo Spektr-RG ci è riuscito. La sonda spaziale Spektr-RG è stata lanciata il 13 luglio 2019 dal Cosmodromo di Baikonur. Per la prima volta nella storia, il telescopio è stato in grado di isolare l’emissione di raggi X dal disco stellare centrale, filtrando le interferenze di centinaia di altri oggetti luminosi. E si è rivelato tre volte più luminoso del previsto nei raggi X. Con molta probabilità, il cuore della nostra galassia contiene un numero record di sistemi binari, dove la materia cade su nane bianche, generando una potente emissione di raggi X.
Il Disco Stellare Nucleare (NSD) è una struttura allungata lungo il piano della galassia, situata vicino al Centro Galattico. La sua lunghezza raggiunge centinaia di parsec, mentre il suo spessore è di poche decine. Si ritiene che questo disco si sia formato miliardi di anni fa e contenga principalmente popolazioni stellari più antiche. Sebbene la densità di oggetti nella regione centrale della galassia sia elevata, studiarla nello spettro visibile è difficile a causa della grande quantità di gas e polvere nella linea di vista. Pertanto, finora, le proprietà del NSD erano note principalmente attraverso osservazioni infrarosse, dove la luce stellare attraversa parzialmente nubi di polvere interstellare. Ma possiamo anche guardare all’altro estremo dello spettro: i raggi X con energie superiori a pochi kiloelettronvolt sono in grado di penetrare polvere e gas, offrendo una rara opportunità di osservare i processi che avvengono proprio al centro della galassia.
I telescopi spaziali a raggi X hanno studiato attivamente questa regione, ma finora queste osservazioni non sono riuscite a distinguere l’emissione di raggi X della CZD da quella di altri oggetti situati anch’essi al centro galattico.
Per la prima volta, il telescopio ART-XC a bordo dell’osservatorio Spektr-RG è riuscito a distinguere l’emissione di raggi X della CZD da quella di altri componenti strutturali della galassia, grazie alle caratteristiche uniche dello strumento e alla mappatura uniforme e grandangolare. L’analisi ha utilizzato i dati di un’indagine a raggi X profonda della regione centrale galattica, condotta dal telescopio ART-XC durante il volo dell’osservatorio Spektr-RG verso il punto L2 del sistema Sole-Terra dopo il suo lancio nel 2019.
Lo studio
I ricercatori hanno affrontato un compito piuttosto impegnativo: sottrarre la radiazione in eccesso dai dati di osservazione ART-XC. Il Centro Galattico contiene molti oggetti luminosi, la cui emissione oscura il segnale proveniente da strutture più deboli.
“Dopo aver rimosso con cura il contributo delle sorgenti puntiformi luminose e del rumore di fondo, sulla mappa è emersa una struttura estesa, quasi identica per forma e dimensioni al disco noto dalle osservazioni infrarosse“, spiega Valentin Nezabudkin, ricercatore presso il Dipartimento di Astrofisica delle Alte Energie dell’Istituto di Ricerca Spaziale dell’Accademia Russa delle Scienze e primo autore dello studio pubblicato sul Journal of High Energy Astrophysics. “Il suo spessore caratteristico è di circa 90 parsec e la sua estensione lungo il piano galattico è di circa 300 parsec“.
I dati ottenuti hanno rivelato che l’emissione di raggi X dalla CZD è molto probabilmente il bagliore combinato di decine o addirittura centinaia di migliaia di sorgenti deboli, non visibili individualmente da una distanza di otto kiloparsec, la distanza che ci separa dalle regioni centrali della galassia. La natura della “cresta di raggi X della galassia” – l’emissione di raggi X che si estende lungo l’intera Via Lattea – è stata spiegata in modo analogo.
La fonte dell’emissione di raggi X della cresta, tuttavia, non sono le stelle ordinarie. “I principali candidati per sorgenti così deboli sono le variabili cataclismiche, sistemi binari in cui la materia della stella compagna fluisce verso la nana bianca e viene riscaldata fino a milioni di gradi”, spiega Roman Krivonos, dottore di ricerca in Fisica e Matematica, autore principale dello studio e ricercatore senior presso il Dipartimento di Astrofisica delle Alte Energie dell’Istituto di Ricerca Spaziale dell’Accademia Russa delle Scienze. “La loro emissione collettiva può formare uno sfondo di raggi X molto simile alla distribuzione di massa stellare”.
Un’analisi dei dati ART-XC ha mostrato che la mappa a raggi X del Centro Galattico concorda bene con i modelli di distribuzione di massa stellare misurati utilizzando indagini infrarosse. Inoltre, gli scienziati sono stati in grado di costruire per la prima volta un modello tridimensionale della distribuzione dell’emissione a raggi X e di misurare la luminosità totale del CSD, pari a circa 6×1036 erg/s.
Una scoperta sorprendente è stata che la luminosità specifica dei raggi X del disco stellare centrale, ovvero la quantità di radiazione per unità di massa stellare, era circa tre volte superiore alla media della Via Lattea. Questo effetto era stato precedentemente osservato dal telescopio XMM-Newton dell’ESA nella riga di emissione del ferro ionizzato a 6,7 keV, ed è ora confermato dai dati ART-XC su un ampio intervallo di energia compreso tra 4 e 12 keV.
“Questo potrebbe indicare che le sorgenti di raggi X nella regione centrale della galassia non sono, in media, esattamente le stesse di quelle nel resto della galassia”, afferma Sergei Sazonov, Professore presso l’Accademia Russa delle Scienze e Direttore del Laboratorio del Dipartimento di Astrofisica delle Alte Energie presso l’Istituto di Ricerca Spaziale (IKI) dell’Accademia Russa delle Scienze. “Ad esempio, per qualche ragione, i sistemi stellari binari stretti in cui la materia si accumula su una nana bianca sono più comuni in questa regione. La ragione specifica resta da determinare”.
“I dati ottenuti ci aiutano a determinare con maggiore precisione il contributo delle varie componenti all’emissione di raggi X dalla regione centrale della galassia e a distinguere l’emissione di sistemi stellari deboli dall’emissione di plasma caldo che riempie lo spazio interstellare”, afferma Alexander Lutovinov, Membro Corrispondente dell’Accademia Russa delle Scienze, Vicedirettore dell’Istituto di Ricerca Spaziale (IKI) dell’Accademia Russa delle Scienze e Direttore Scientifico del telescopio ART-XC M.N. Pavlinsky. “Questo è importante sia per comprendere l’evoluzione degli oggetti compatti nel nucleo della Via Lattea sia per costruire modelli della sua struttura”.
Alexander Lutovinov sottolinea che questo lavoro, che ha portato a una scoperta così straordinaria, ha utilizzato solo una piccola parte dei dati del telescopio ART-XC, acquisiti durante le osservazioni di calibrazione. Nel 2022-2023, la regione del Centro Galattico è stata studiata attivamente dallo strumento russo durante un’indagine approfondita del piano galattico. Gli scienziati stanno attualmente analizzando i nuovi dati, il che significa che molte altre scoperte sono in arrivo.