Svelato il mistero della pulsar a "luminosità intermittente"

Illustrazione artistica della pulsar PSR J1023+0038 che ruba gas alla sua stella compagna (Immagine: ESO/M. Kornmesser)

Con una straordinaria campagna osservativa che ha coinvolto 12 telescopi sia a terra che nello spazio, un gruppo internazionale di astronomi è riuscito spiegare lo strano comportamento di una pulsar, una stella morta che ruota su se stessa a grande velocità. La stella - chiamata J1023 - era nota agli studiosi per passare di continuo da uno stato di alta luminosità a una luminosità più bassa: un fenomeno bizzarro, che fino ad oggi era rimasto un enigma. Grazie a un nuovo studio - pubblicato su Astronomy & Astrophysics - gli astronomi hanno ora scoperto che questi strani cambiamenti di luminosità sono dovuti a improvvise espulsioni di materia che emergono dalla pulsar.

"Quella che presentiamo è la campagna osservativa multi-banda più completa mai realizzata per una 'transitional millisecond pulsar', cioè una pulsar che cambia banda di emissione - a volte nei raggi X, a volte nelle onde radio - nel giro di pochi minuti e in modo finora inspiegabile", dice Stefano Giarratana, dottorando al Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi" dell'Università di Bologna e associato INAF, tra gli autori dello studio. "Grazie a questo incredibile set di dati, che spazia dai raggi X alla banda radio, siamo riusciti per la prima volta a spiegare queste transizioni, attribuendole a cambiamenti della regione più interna del disco di accrescimento intorno alla stella di neutroni".

Le pulsar sono stelle morte in rapida rotazione che emettono un fascio di radiazioni elettromagnetiche nello spazio. Ruotando, questo fascio attraversa il cosmo - come il raggio di un faro che illumina l'ambiente circostante - e viene rilevato dagli astronomi quando interseca la linea di vista della Terra. Viste dal nostro pianeta, queste stelle appaiono quindi come fonti luminose intermittenti.

La stella PSR J1023+0038, o in breve J1023, è una pulsar particolare. Situata a circa 4500 anni luce di distanza dalla Terra, nella costellazione del Sestante, orbita attorno a un'altra stella a distanza ravvicinata. Nel corso dell'ultimo decennio, la pulsar ha attivamente sottratto materia alla compagna: materia che si accumula in un disco attorno alla pulsar e cade lentamente verso di essa.

Da quando è iniziato questo processo di accumulo di materia, il fascio luminoso è praticamente scomparso e la pulsar ha iniziato a passare incessantemente tra due modalità di luminosità. Nella modalità "alta", la pulsar emette raggi X, ultravioletti e luce visibile, mentre nella modalità "bassa" è più debole a queste frequenze ed emette più onde radio. La pulsar può rimanere in una di queste modalità per diversi secondi o minuti, per poi passare all'altra in pochi secondi: un comportamento bizzarro che fino ad oggi aveva generato molti interrogativi tra gli astronomi.

Per cercare una spiegazione a questo comportamento insolito, è stata avviata un'ampia campagna osservativa, coinvolgendo 12 telescopi tra cui il Very Large Telescope (VLT) e il New Technology Telescope (NTT) dell'ESO, che hanno rilevato la luce visibile e del vicino infrarosso, nonché l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Nel corso di due notti del giugno del 2021, i telescopi hanno osservato il sistema della pulsar J1023 effettuare oltre 280 passaggi tra le due diverse modalità di luminosità, alta e bassa.

"A Bologna, in particolare, ci siamo occupati dell'analisi dei dati radio presi con il Very Large Array, un sofisticato strumento composto da 27 antenne che si trovano nel New Mexico, negli Stati Uniti", spiega ancora Giarratana. "Il lavoro è stato particolarmente complesso vista la natura della pulsar, in quanto ha richiesto la ricostruzione di un'immagine ogni 30 secondi per tutta la durata dell'osservazione, in modo da tracciare con precisione le transizioni della sorgente da una banda all'altra".

Grazie all'analisi dei dati raccolti, gli studiosi sono riusciti a capire che il passaggio tra le due modalità di luminosità della pulsar dipende da una complessa interazione tra un flusso di particelle ad alta energia che si allontana dalla stella e la materia che dal disco di accrescimento fluisce verso di essa.

Quando la pulsar si trova nello stato di bassa luminosità, la materia che scorre verso la stella viene espulsa con un getto perpendicolare al disco di accrescimento. Gradualmente, questa materia si accumula sempre più vicino alla pulsar e, in questo modo, viene investita dal vento di particelle che soffia dalla stella, provocandone il riscaldamento. A questo punto il sistema passa nella modalità di alta luminosità, con un'intensa emissione nei raggi X, nell'ultravioletto e nella luce visibile. Quando la materia calda riscaldata viene di nuovo espulsa dalla pulsar, il sistema torna quindi nella modalità di bassa luminosità.

"Queste osservazioni ci hanno permesso di vedere straordinari eventi cosmici in cui enormi quantità di materia vengono lanciate nello spazio in pochi secondi, come palle di cannone cosmiche, da un piccolo e denso oggetto celeste che ruota a velocità incredibilmente elevate", commenta in conclusione Maria Cristina Baglio, ricercatrice della New York University Abu Dhabi, affiliata INAF, e prima autrice dello studio.