L’osservatorio Xrism (X-ray Imaging and Spectroscopy Mission), guidato dalla Jaxa – in collaborazione con Esa e Nasa, che hanno sviluppato lo strumento Resolve – ha catturato il ritratto più dettagliato di sempre dei gas che fluiscono all’interno di Cygnus X-3, una delle sorgenti più studiate del cielo a raggi X. Cygnus X-3 è una binaria nella quale un raro tipo di stella massiccia è legata gravitazionalmente a una compagna compatta, probabilmente un buco nero.
Rappresentazione artistica di Cygnus X-3, una binaria composta da un oggetto compatto (probabilmente un buco nero) e da una stella Wolf-Rayet calda. La spettroscopia a raggi X ad alta risoluzione indica due componenti gassose: un vento pesante emesso dalla stella massiccia e una struttura turbolenta – forse una scia scavata nel vento – situata vicino alla compagna orbitante. Come mostrato qui, la gravità di un buco nero cattura parte del vento nel disco di accrescimento e il moto orbitale del disco scolpisce un percorso (arco giallo) attraverso il flusso di gas. Durante le forti esplosioni, la compagna emette getti di particelle che si muovono a una velocità prossima a quella della luce, che qui si vedono estendersi sopra e sotto il buco nero. Crediti: Nasa’s Goddard Space Flight Center
«La natura della stella massiccia è uno dei fattori che rendono Cygnus X-3 così intrigante», dichiara Ralf Ballhausen, dell’Università del Maryland, primo autore di un articolo che uscirà su The Astrophysical Journal. «Si tratta di una stella di Wolf-Rayet, una tipologia di stelle che si è evoluta fino al punto in cui forti flussi, chiamati venti stellari, strappano il gas dalla superficie della stella e lo spingono verso l’esterno. L’oggetto compatto raccoglie e riscalda parte di questo gas, provocando l’emissione di raggi X».
«Questa insolita sorgente è stata studiata da tutti i satelliti a raggi X, quindi osservarla è una sorta di rito di passaggio per le nuove missioni a raggi X», aggiunge Timothy Kallman, astrofisico del Goddard.
Alla fine di marzo Xrism ha osservato Cygnus X-3 per 18 ore, acquisendo uno spettro ad alta risoluzione che ha permesso di capire le complesse dinamiche del gas che vi operano. In particolare, il gas in uscita dalla stella calda e massiccia, la sua interazione con la compagna compatta e una regione turbolenta che potrebbe rappresentare una scia prodotta dalla compagna mentre le orbita attorno, passando attraverso il gas.
Lo strumento Resolve di Xrism ha acquisito lo spettro a raggi X più dettagliato finora acquisito di Cygnus X-3. I picchi indicano i raggi X emessi dai gas ionizzati, mentre le valli si formano dove i gas assorbono i raggi X; molte righe sono spostate a energie più alte o più basse dai movimenti del gas. In alto: lo spettro completo di Resolve, da 2 a 8 keV (kiloelettronvolt), traccia i raggi X con un’energia migliaia di volte superiore a quella della luce visibile. Alcune righe sono etichettate con i nomi degli elementi che le hanno prodotte, come zolfo, argon e calcio, insieme a numeri romani che si riferiscono al numero di elettroni che questi atomi hanno perso. In basso: zoom su una regione dello spettro spesso dominata da caratteristiche prodotte da transizioni nel guscio elettronico più interno (guscio K) degli atomi di ferro. Queste caratteristiche si formano quando gli atomi interagiscono con raggi X o elettroni ad alta energia e rispondono emettendo un fotone a energie comprese tra 6,4 e 7 keV. Questi dettagli, chiaramente visibili per la prima volta con lo strumento Resolve aiuteranno gli astronomi a perfezionare la comprensione di questo insolito sistema. Crediti: Collaborazione Jaxa/Nasa/Xrism
In Cygnus X-3, la stella e l’oggetto compatto sono così vicini da completare un’orbita in sole 4,8 ore. Si pensa che questo sistema binario si trovi a circa 32mila anni luce di distanza, in direzione della costellazione del Cigno. Mentre le spesse nubi di polvere del piano della Galassia oscurano la luce visibile di Cygnus X-3, la binaria è stata studiata nella luce radio, infrarossa e dei raggi gamma, oltre che nei raggi X.
Il sistema è immerso nel flusso di gas della stella, che viene illuminato e ionizzato dai raggi X emessi della compagna compatta. Il gas emette e assorbe i raggi X e molti dei picchi e delle valli più importanti dello spettro sono rappresentativi di entrambi gli aspetti. Tuttavia, comprendere lo spettro non è banale perché alcune delle sue righe sembrano essere nel posto sbagliato. Questo perché il rapido movimento del gas, a causa dell’effetto Doppler, sposta queste caratteristiche rispetto alle frequenze alle quali appaiono normalmente in laboratorio. Le valli caratteristiche dell’assorbimento si spostano tipicamente verso energie più alte, indicando che il gas si muove verso di noi a velocità fino a 1,5 milioni di chilometri orari. I picchi di emissione invece si spostano verso energie più basse, indicando che il gas si allontana da noi, a velocità inferiori.
Alcune caratteristiche spettrali mostrano assorbimenti molto più forti dei picchi di emissione. Secondo i ricercatori, la ragione di questo squilibrio è la dinamica del vento stellare che permette al gas in movimento di assorbire una gamma più ampia di energie dei raggi X emessi dalla compagna. Il dettaglio dello spettro, in particolare alle energie più alte – ricche di righe prodotte dagli atomi di ferro ionizzati – ha permesso agli scienziati di distinguere questi effetti.
«La chiave per acquisire questi dettagli è stata la capacità di Xrism di monitorare il sistema nel corso di diverse orbite», conclude Brian Williams, project scientist della Nasa. «C’è molto altro da esplorare in questo spettro, e alla fine speriamo che ci aiuti a determinare se l’oggetto compatto di Cygnus X-3 è davvero un buco nero».
Per saperne di più:
- Leggi il preprint dell’articolo in uscita su The Astrophysical Journal “The XRISM/Resolve view of the Fe K region of Cyg X-3”, della Xrism Collaboration