Ancora una volta, HESS, che sta per High Energy Stereoscopic System, ha dimostrato le sue enormi potenzialità. Lo strumento ha scoperto le sorgenti più luminose, che emettono raggi gamma di alta energia, nella Grande Nube di Magellano (LMC): si tratta di tre oggetti diversi e cioè una nebulosa simile a quella del Granchio, alimentata dai venti stellari di una pulsar, un potente resto di supernova e una cosiddetta superbolla, un inviluppo del diametro di 270 anni luce creato da forti venti stellari e dalle supernovae. E’ la prima volta che sorgenti gamma di tipo stellare vengono rivelate in una galassia esterna ad alte energie. In particolare, la superbolla rappresenta una nuova classe di sorgenti che emettono raggi gamma estremamente energetici.
I 4 telescopi HESS con al centro il nuovo strumento HESS II. Credit: Clementina Medina/Irfu-CEA.
HESS è un sistema di telescopi che ha lo scopo di studiare i raggi gamma di origine cosmica nella banda di energie 10s GeV – 10s TeV. Il nome è stato attribuito anche in omaggio a Victor Hess che nel 1936 ricevette il Premio Nobel per la Fisica, assieme a Carl Anderson, per la scoperta dei raggi cosmici. Lo strumento, situato in Namibia, permette agli scienziati di esplorare le sorgenti di raggi gamma il cui flusso è qualche migliaia di volte superiore a quello della Nebulosa del Granchio, la sorgente di raggi gamma più luminosa del cielo.
I raggi gamma di alta energia vengono considerati i migliori traccianti per individuare gli “acceleratori cosmici”, cioè i resti di supernova e le nebulose simili a quella del Granchio, prodotti finali di stelle massive. In questi oggetti, le particelle cariche vengono accelerate a velocità relativistiche e nel momento in cui incontrano la radiazione o il gas presente all’interno o attorno a questi oggetti, esse emettono raggi gamma. I telescopi che sono dotati di fotocamere speciali ad acquisizione veloce sono in grado di catturare i raggi gamma di alta energia, osservando la luce Cherenkov emessa dalla cascata di particelle prodotta dai raggi gamma incidenti negli strati superiori dell’atmosfera.
La Nebulosa Tarantola in una immagine composita ottenuta con i Grandi Osservatori della NASA (Hubble, Chandra e Spitzer). Credit: NASA
La Grande Nube di Magellano, situata a circa 170 mila anni luce, è una galassia nana satellite della Via Lattea. Qui si formano nuove stelle, quelle di grossa taglia, ad un ritmo elevato e sono presenti numerosi ammassi stellari. La frequenza con cui avviene una esplosione stellare è cinque volte superiore a quella della Via Lattea. Il più giovane resto di supernova, SN 1987A, fa parte della Grande Nube di Magellano. Perciò, gli scienziati che lavorano all’esperimento HESS gli hanno dedicato tutta una serie di osservazioni allo scopo di rivelare da questo oggetto raggi gamma di alta energia. Tuttavia, dopo 210 ore di osservazioni della più grande regione di formazione stellare, ossia la Nebulosa Tarantola, sede della supernova 1987A, inaspettatamente HESS non ha rivelato raggi gamma dal resto di supernova (SN 1987A) bensì ha identificato, per la prima volta, tre singole sorgenti di raggi gamma di alta energia, e di diverso tipo: una nebulosa simile a quella del Granchio dove è presente una pulsar, un resto di supernova e una superbolla.
Le mappe del cielo relative alla Grande Nube di Magellano. (A) Immagine ottica dell’intera LMC. (B) L’emissione gamma di alta energia nella regione di N 157B. (C) L’emissione in banda X (XMM-Newton) della regione di 30 Dor C (i simboli a forma di diamante indicano gli ammassi stellari). (D) L’emissione gamma nella regione di N 132D. Credit: The HESS Collaboration
(1) La cosiddetta superbolla 30 Dor C è l’inviluppo più grande conosciuto: esso emette raggi X, di natura non termica, e sembra sia stato creato da diverse supernovae e da forti venti stellari. Questa classe di oggetti viene considerata, in maniera complementare o alternativa ai resti di supernova, come una sorta di “fabbrica spaziale” nella quale vengono prodotti i raggi cosmici di origine galattica. I dati di HESS mostrano che la bolla è in realtà una sorgente di particelle estremamente energetiche e rappresenta una nuova classe di oggetti celesti visibili ad alta energia. (2) Le pulsar sono oggetti esotici densi e compatti, ossia stelle di neutroni estremamente magnetizzate che ruotano velocemente emettendo un forte vento stellare costituito da particelle ultra relativistiche che dà luogo ad una nebulosa. L’oggetto più famoso ma anche il prototipo di questa categoria è la Nebulosa del Granchio, una delle sorgenti più brillanti del cielo gamma. La pulsar in questione identificata da HESS, PSR J0537-6910 che a sua volta crea la nebulosa N 157B, ricorda in qualche modo proprio la pulsar della Nebulosa del Granchio. Tuttavia, la nebulosa della pulsar studiata dai ricercatori supera di almeno un ordine di grandezza la radiazione gamma emessa dalla Nebulosa del Granchio. Le cause possono essere riconducibili ad un campo magnetico meno intenso in N 157B e alla presenza di una forte radiazione proveniente dalle vicine regioni di formazione stellare, che insieme favoriscono la produzione di raggi gamma di alta energia. (3) Il resto di supernova N 132D, già noto come sorgente brillante nella banda radio e infrarossa, appare come uno dei più antichi e più energetici ed emette tuttora raggi gamma di alta energia. Con una età compresa tra 2500 e 6000 anni, un’età cioè dove i modelli predicono che il fronte dell’esplosione stellare abbia rallentato al punto da non essere più efficiente per accelerare le particelle, N 132D supera in luminosità i resti di supernova più brillanti della nostra galassia. Inoltre, i dati confermano alcune ipotesi sollevate in passato da altre osservazioni realizzate da HESS in base alle quali i resti di supernova possono essere molto più brillanti di quanto si era pensato in precedenza.
Dunque, osservati ai limiti della sensibilità dello strumento e situate in modo che esse si mostrino parzialmente sovrapposte, queste nuove sorgenti hanno sfidato letteralmente gli scienziati del programma HESS. Le scoperte sono state rese possibili grazie allo sviluppo di metodi avanzati di analisi delle immagini Cherenkov catturate dai telescopi, che hanno permesso in particolare di determinare con una precisione elevata la direzione dei raggi gamma.
«Sia la nebulosa della pulsar che il resto di supernova identificate da HESS nella Grande Nube di Magellano sono molto più energetici dei rispettivi ‘cugini’ osservati nella Via Lattea. Ovviamente, l’elevato tasso di formazione stellare della Grande Nube di Magellano dà luogo ad oggetti estremi», spiega Chia Chun Lu, una studentessa co-autrice dello studio che ha analizzato i dati per la propria tesi. «Con grande sorpresa, abbiamo notato che il giovane resto di supernova SN 1987A non è stato rivelato, il che pone dei limiti alle previsioni teoriche relativamente al meccanismo di accelerazione delle particelle nei resti di supernova più giovani. Ad ogni modo, continueremo a monitorarlo», aggiunge Werner Hofmann, direttore del MPI for Nuclear Physics ad Heidelberg, che è stato per diversi anni il portavoce del progetto scientifico HESS.
Il nuovo telescopio di 28m HESS II incrementerà il potere esplorativo dell’array dei quattro telescopi e in un futuro prossimo il progetto Cherenkov Telescope Array (CTA) permetterà di raggiungere una più elevata risoluzione delle immagini della Grande Nube di Magellano che, nell’ambito del programma di ricerca di CTA, è già stata selezionata con una particolare attenzione come “Key Science Project”.
Science: The HESS Collaboration – The Exceptionally Powerful TeV Gamma-Ray Emitters in the Large Magellanic Cloud