L’immagine illustra il sistema binario in cui la pulsar e la sua stella compagna orbitano attorno al proprio comune centro di massa ogni 4,6 ore. La stella compagna viene riscaldata su un lato dalla radiazione proveniente dalla pulsar (magenta) che la vaporizza lentamente. Credit: Knispel/AEI/SDO/AIA/NASA/DSS
Le pulsar sono oggetti densi e compatti, stelle di neutroni in rapida rotazione, resti di esplosioni di stelle massicce. Possono essere rivelate attraverso i loro fasci di radiazione di onde radio e gamma. Oggi, grazie all’ausilio dei dati forniti dal Fermi Gamma-ray Space Telescope, alcuni ricercatori del Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), ad Hannover in Germania, hanno misurato con precisione elevata le proprietà di un sistema binario in cui è presente una pulsar millisecondo che emette raggi gamma. Gli scienziati hanno scoperto alcune variazioni nel periodo orbitale del sistema binario che possono essere spiegate dai cicli associati all’attività magnetica della stella compagna. Tuttavia, per caratterizzare completamente il sistema stellare, saranno necessarie osservazioni regolari nel corso dei prossimi anni. I risultati di questo studio sono pubblicati su Astrophysical Journal.
0FGL J2339.8–0530 è il nome dell’oggetto in questione che appartiene al catalogo celeste prodotto dal Large Area Telescope (LAT), lo strumento a bordo del satellite Fermi che lo ha identificato nel 2009 come una intensa sorgente di raggi gamma. Negli anni successivi, le osservazioni effettuate su altre lunghezze d’onda hanno permesso di ricavare ulteriori indizi per spiegare la sua natura: e cioè l’esistenza di una pulsar millisecondo e di una stella compagna che sono in orbita l’una attorno all’altra ogni 4,6 ore. Tuttavia, è stato possibile identificare la pulsar, ora nota con la sigla PSR J2339–0533, solo nel 2014 attraverso la sua caratteristica emissione radio ad impulsi. Ma le osservazioni in banda radio sono ostacolate dall’interazione tra la pulsar e la sua compagna. Infatti, la radiazione emessa dalla pulsar riscalda la stella compagna e la vaporizza lentamente. Ciò causa la formazione di nubi di gas che si propagano nel sistema binario assorbendo l’emissione radio e rendendo temporaneamente invisibile la pulsar.
Ad ogni modo, i raggi gamma emessi dalla pulsar penetrano nelle nubi di gas e ne consentono l’osservazione. «I tempi di arrivo dei fotoni registrati dallo strumento LAT a bordo di Fermi dipendono dalle proprietà fisiche del sistema stellare e dalle orbite», spiega Holger Pletsch autore principale dello studio. A sua volta, misure precise delle proprietà fisiche del sistema binario possono essere desunte dall’analisi dei tempi di arrivo dei fotoni. «Dopo le prime osservazioni radio siamo arrivati immediatamente ad un punto di partenza. Sapevamo che potevamo utilizzare l’archivio dati di Fermi relativo agli ultimi sei anni per studiare questo sistema in dettaglio e con una precisione elevata».
La chiave di queste misure precise è stata fornita dai nuovi algoritmi per l’analisi dei dati. «A differenza dei metodi precedenti che mediano i tempi di arrivo dei fotoni gamma, perdendo così risoluzione temporale, il nostro metodo si basa sui tempi di arrivo dei singoli fotoni», dice Colin Clark, studente di dottorato e co-autore dello studio. «Questo ci permette di misurare le proprietà fisiche del sistema binario con una precisione molto elevata, specialmente su tempi scala brevi». I risultati di questo studio forniscono di fatto delle misure molto precise delle singole stelle e delle relative orbite. Si tratta delle prime misure di questo tipo relativamente ad un sistema binario interagente ottenute attraverso l’emissione di raggi gamma della pulsar millisecondo grazie soprattutto alla risoluzione temporale dello strumento LAT, che è dell’ordine di qualche milionesimo di secondo.
L’attività magnetica della stella compagna influenza il periodo orbitale del sistema binario. Il campo magnetico interagisce con il plasma all’interno della stella e la deforma. Man mano che la forma della stella viene deformata, anche il campo gravitazionale ne risente e, a sua volta, influenza l’orbita della pulsar (a destra). Ciò può spiegare le variazioni del periodo orbitale osservato (a sinistra). Credit: Knispel/AEI/SDO/AIA/NASA
I dati, però, mostrano un variazione inattesa del periodo orbitale. «Siamo rimasti sorpresi quando abbiamo scoperto che il periodo orbitale varia lentamente attorno al valor medio di 4,6 ore. Le variazioni sono dell’ordine di qualche migliaia di secondi ma rispetto alla precisione con cui abbiamo eseguito la misura stessa, che è dell’ordine del milionesimo di secondo, questo è davvero molto», dice Clark. «Nel caso dell’orbita terrestre ciò significherebbe avere alcuni anni più corti o più lunghi di altri di qualche decina di secondi».
Secondo gli autori, la causa principale di queste variazioni è legata all’attività magnetica della stella compagna che determina minuscole variazioni della sua forma. Un po’ come il nostro Sole, la stella compagna può passare attraverso una serie di cicli di attività stellare. Ciò fa sì che il campo magnetico interagisce con il plasma all’interno della stella, creandone perciò una deformazione. Mentre la forma della stella cambia, anche il suo campo gravitazionale ne risente che, a sua volta, influenza l’orbita della pulsar. In questo modo si possono spiegare le variazioni del periodo orbitale.
«In futuro, osservazioni simultanee con telescopi ottici potranno aiutarci a studiare la relazione tra l’attività stellare e le variazioni del periodo orbitale, fornendoci così ulteriori informazioni sul sistema binario. In un certo senso, le osservazioni della pulsar realizzate con il telescopio LAT a bordo del satellite Fermi ci permettono di dare una ‘sbirciatina’ alla stella compagna. Ciò potrebbe servire anche per determinare il tipo di dinamo magnetica presente nella stella», conclude Pletsch.
The Astrophysical Journal: Holger J. Pletsch & Colin J. Clark, 2015 – Gamma-ray Timing of Redback PSR J2339-0533: Hints for Gravitational Quadrupole Moment Changes
arXiv: Gamma-ray Timing of Redback PSR J2339-0533: Hints for Gravitational Quadrupole Moment Changes