Scoperta la prima pulsar al millisecondo che emette impulsi periodici di luce visibile

Venerdì, 6 Ottobre, 2017

Scoperta al Telescopio Nazionale Galileo la prima pulsar al millisecondo che emette impulsi periodici di luce visibile

Un team di astronomi italiani guidato da Filippo Ambrosino (INAF-IAPS e SAPIENZA Università di Roma) ed Alessandro Papitto (INAF-OAR) osserva per la prima volta una millisecond pulsar (PSR J1023+0038) che emette impulsi periodici di luce visibile. Questo risultato è stato ottenuto grazie all'uso del fotometro ottico ad altissima risoluzione temporale SiFAP (Silicon Fast Astronomical Photometer) ideato e realizzato presso il Laboratorio di sviluppo di rivelatori al Silicio del Dipartimento di Fisica della SAPIENZA del Prof. Franco Meddi, poi montato al Telescopio Nazionale Galileo dell'INAF alle Isole Canarie.

Le radio pulsar sono stelle di neutroni che si comportano come veri e propri fari cosmici. Quando la stella ruota abbastanza velocemente, i loro campi magnetici sono così intensi da accelerare particelle in maniera ben più vigorosa di quanto possibile al Large Hadron Collider del CERN di Ginevra. Ad ogni rotazione della stella, gli elettroni così accelerati producono degli impulsi di radiazione osservabile dalle onde radio ai raggi gamma, ed in alcuni rari casi, anche come luce visibile ai nostri occhi, consentendoci di conoscerne il periodo di rotazione con elevatissima precisione.

Alcune pulsar ruotano su sè stesse con un periodo di qualche millisecondo, che vuol dire alcune centinaia di rotazioni ogni secondo. Un oggetto che si trovi alla loro superficie viaggia quindi alla incredibile velocità pari a circa il 10% della velocità della luce. Queste pulsar sono orologi talmente accurati che risultano tra i migliori laboratori per effettuare test della teoria della Relatività Generale, per misurare il passaggio di onde gravitazionali e per sondare lo stato della materia a densità più alte di quelle che caratterizzano i nuclei atomici. Tali incredibili velocità di rotazione sono raggiunte durante una precedente fase evolutiva lunga miliardi di anni, in cui la stella di neutroni strappa materia ad una stella compagna, e la costringe a cadere sulla sua superficie attraverso la formazione di un disco di accrescimento. Solo al termine di questa fase in cui la stella emette brillanti fasci di raggi X, la pulsar si può attivare come sorgente di onde radio. Almeno così si pensava fino a qualche anno fa.
Nel 2013, un team guidato da A. Papitto, ora all’INAF – Osservatorio Astronomico di Roma con una fellowship Marie Skłodowska-Curie dell’Unione Europea, ha scoperto che alcune pulsar al millisecondo (dette transizionali) sono in grado di alternare in meno di qualche settimana fasi di pulsar a raggi X prodotta dalla caduta di materia sulla stella, e fasi di radio pulsar alimentata dalla rotazione del campo magnetico.
Il comportamento di queste pulsar in presenza di un disco di accrescimento è però un enigma. L'emissone variabile di impulsi di raggi X, il lancio di getti di particelle e l'emissione di raggi gamma le situano a metà strada tra i tipici sistemi che accrescono materia e le pulsar radio, qualcosa di mai osservato prima.
La possibilità di riuscire a risolvere il puzzle è arrivata grazie all'utilizzo del fotometro veloce SiFAP (Silicon Fast Astronomical Photometer), ideato e realizzato nel Laboratorio di sviluppo di rivelatori al Silicio del Dipartimento di Fisica della Sapienza dal Prof. F. Meddi con la preziosa collaborazione del Dr. F. Ambrosino, ed il contributo di colleghi astrofisici (Proff. R. Nesci e C. Rossi) grazie al solo finanziamento della nostra Università.
Il cuore del fotometro SiFAP si basa sull'utilizzo di tecnologia di rivelatori al silicio di tipo SiPM corredato da una elettronica custom a basso costo in grado di misurare l'arrivo dei singoli fotoni di luce visibile con una accuratezza pari a 25 nanosecondi (ovvero la quarantamilionesima parte di un secondo). Lo strumento é stato poi trasferito al Telescopio Galileo (TNG) dell'INAF situato a La Palma nelle isole Canarie (Spagna) e appositamente modificato dallo staff del Galileo per essere montato al piano focale della Nasmyth B. Osservando al TNG, una di queste pulsar al millisecondo transizionali (PSR J1023+0038) in un periodo in cui aveva un disco di accrescimento, il team guidato da F. Ambrosino e A. Papitto ha potuto vedere per la prima volta un segnale pulsato di luce visibile proveniente da una pulsar così rapida di questo tipo.

Questa scoperta è importante non solo perchè dimostra che i campi magnetici di stelle di neutroni in rotazione rapida possono generare pulsazioni di luce visibile, ma anche perchè apre un campo di investigazione astrofisica totalmente nuovo, ed in particolare la possibilità che una radio pulsar sia attiva anche nonostante la presenza di un disco di accrescimento; un risultato totalmente inaspettato che costringerà a rivedere molte delle nostre convinzioni sulla interazione tra dischi e campi magnetici delle pulsar. Di certo, questo primo importante risultato dà grande motivazione a tutto il team per continuare lo studio pioneristico delle millisecond pulsar ottiche con l'accoppiata vincente del fotometro SiFAP e del telescopio Galileo.

Didascalia dell'immagine
Rappresentazione artistica della pulsar al millisecondo (PSR J1023+0038) oggetto della scoperta, costituito da un sistema di due stelle (sistema binario) di cui una è una stella di neutroni che strappa materia ad una stella compagna con formazione di un disco di accrescimento e contemporanea emissione sia di fasci di luce visibile, sia di raggi X. Il riquadro riporta gli impulsi di luce visibile osservati dal fotometro SiFAP al TNG. Si tratta di 590 impulsi di luce visibile ogni secondo. Immagine tratta da NASA/Dana Berry.