UNA PULSAR DA RECORD NELLE VELE

UN ORDINE MISTERIOSO REGNA NEL CAMPO MAGNETICO DI UNA STELLA DI NEUTRONI CHE EMETTE RADIAZIONE POLARIZZATA

Per chi si occupa di astronomia gamma di alta energia, la pulsar nella costellazione australe delle Vele è una sorgente di riferimento. In tutte le mappe del cielo gamma, ottenute dai satelliti che hanno osservato il cielo delle alte energie negli ultimi 50 anni, si vede splendere una sorgente in questa costellazione. Qui si trova un bellissimo resto di supernova, all’interno del quale si annida PSR 0833-45, una stella di neutroni che emette un segnale pulsato con periodo di 89 millisecondi, ruotando intorno al suo asse circa 11 volte al secondo, la Vela pulsar. Fin dai tempi della missione Sas-2 della Nasa, lanciata nel novembre 1972 e attiva per circa 8 mesi, gli astro sici hanno cercato di spiegare l’origine di questa emissione che domina il cielo gamma. Prima hanno pensato che si trattasse di un’interazione di particelle accelerate dal resto di supernova con nubi interstellari; poi, dopo la scoperta della emissione pulsata, hanno compreso che la responsabile doveva essere la stella di neutroni.

PULSAR GAMMA A CONFRONTO

La Vela pulsar era il secondo esempio di pulsar gamma, dopo quello della Nebulosa Granchio, la Crab pulsar, nella costellazione del Toro. Il cielo gamma di Sas-2 conteneva anche un’altra sorgente, nella costellazione dei Gemelli, che non corrispondeva a nessuna pulsar radio: era quella che sarebbe diventata Geminga, ma questa è un’altra storia.

Il satellite europeo Cos-B, lanciato nell’agosto 1975, confermò i due oggetti e, grazie a una fortunata vita operativa, durata sette anni, registrò un numero molto maggiore di fotoni, permettendo di tracciare curve di luce più accurate per le due pulsar, che nella banda gamma erano quasi identiche, con due picchi distanti circa mezzo periodo, mentre ad altre lunghezze d’onda rivelavano profonde diversità. La Crab pulsar aveva curve di luce a due picchi in tutte le lunghezze d’onda, mentre la Vela pulsar era più disordinata: nella banda radio aveva un solo picco e una struttura più complessa in ottico e in X.

Le due stelle di neutroni hanno età diverse: mentre la Crab è “nata” nel 1054, la Vela è almeno dieci volte più antica. L’età si ri ette sulle caratteristiche dei due oggetti, con la Crab molto più energetica di Vela, che però è più vicina: mentre la Crab si trova a 6500 anni luce di distanza, la Vela è a meno di 100 anni luce.

Dato che l’emissione pulsata dipende sia dalla struttura della magnetosfera della stella di neutroni, sia dalla collocazione delle regioni di emissione all’interno della magnetosfera, era evidente che ci doveva essere qualche di erenza tra questi due oggetti. Mentre nella Crab tutte le emissioni dovevano venire dalle stesse regioni, probabilmente collegate ai due poli magnetici, per la Vela le regioni di emissione dovevano essere diverse. Considerando che l’emissione radio viene certamente dalla regione che si trova sopra il polo magnetico, quella gamma doveva avere origine altrove.

La di erenza tra le due pulsar non si limitano alle curve di luce: le immagini ottenute dal satellite Chandra nei raggi X mostrano che la zona che circonda la stella di neutroni, la cosiddetta Pulsar wind nebula (Pwn), ha una struttura decisamente diversa. Mentre nella Crab si nota una specie di struttura toroidale, nel caso della Vela si vede una struttura ad arco.

In entrambi i casi, dalle pulsar hanno origine dei getti molto interessanti, perché confrontando immagini ottiche prese a distanza di anni, si è scoperto che le due stelle di neutroni si muovono nella direzione indicata dai getti, come se il getto e il moto proprio fossero collegati all’asse magnetico delle stelle.

La forma degli archi, così collegati alla direzione del moto proprio, suggerisce che stiamo vedendo l’interazione tra il vento di particelle generato dalla pulsar e l’ambiente circostante. Un vento relativistico, perché la pulsar, grazie al suo fortissimo campo magnetico in rapidissima rotazione, è un formidabile acceleratore di particelle. Il vento di particelle accelerate è come una bolla piena di energia che si muove nel mezzo interstellare a circa 80 km al secondo (la velocità misurata per il moto proprio della Vela): così si veri ca una compressione che produce un’onda d’urto dove si addensa la materia interstellare con il suo campo magnetico. In corrispondenza dell’onda d’urto ha origine l’emissione X, dovuta alle particelle che vengono intrappolate dal campo magnetico. Il campo incurva le loro traiettorie, obbligandole a emettere la “radiazione di sincrotrone”, così chiamata perché è stata scoperta nelle macchine acceleratrici che portano questo nome.

Una Radiazione X Polarizzata

Questa radiazione è polarizzata, cioè l’onda elettromagnetica che la trasmette vibra in modo preferenziale in una determinata direzione, a di erenza della radiazione normale, che vibra in qualunque direzione. Questo signi ca che il campo magnetico della sorgente ha una struttura molto ordinata. Misurare il grado di polarizzazione dell’emissione di una sorgente celeste è quindi un modo per stimare quanto sia ordinato il campo magnetico responsabile dell’emissione.

Mentre per misurare la polarizzazione della radiazione ottica si usano dei ltri che lasciano passare solo la radiazione che vibra in una direzione (come negli occhiali da sole Polaroid®), misurare il grado di polarizzazione della radiazione X è molto più complesso e richiede rivelatori speciali, come quelli del satellite Ixpe (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), realizzato dalla Nasa con un’importante partecipazione italiana. Lo strumento per misurare la polarizzazione è infatti nato in Italia da una collaborazione tra Inaf e Infn nanziata da Asi. Lanciato il 9 dicembre 2021, Ixpe ha aperto l’era dello studio della polarizzazione dei raggi X cosmici.

Un Ordine Inatteso E Inspiegabile

Le osservazioni della Pwn intorno alla Vela hanno rivelato un altissimo grado di polarizzazione con direzione perpendicolare al campo magnetico del vento relativistico della pulsar. La polarizzazione risulta maggiore di quanto misurato per la Pwn della Crab e vicina al limite massimo permesso dalla teoria. Questo risultato implica che il campo magnetico, che è la causa dell’emissione di sincrotrone, sia molto ordinato. Una caratteristica stupefacente, perché tutti i modelli di accelerazione delle particelle nelle Pwn si basano sulla presenza di turbolenze e di instabilità. Mentre per molte altre sorgenti X il satellite Ixpe ha misurato un grado di polarizzazione inferiore al previsto, indice di un certo disordine nei campi magnetici, nel caso della Vela assistiamo a uno scenario assolutamente inedito. Peccato che il disordine sia facilmente spiegabile, al contrario dell’ordine, che pone s de più di cili.

Pur appartenendo alla categoria degli irriducibili disordinati, la notizia del grande ordine che regna nei dintorni della Vela pulsar non mi ha stupita. Con un moto proprio così perfettamente allineato con il getto (e presumibilmente con la direzione del dipolo magnetico), è una sorgente che ha sempre riservato delle interessanti sorprese a chi si è dato la pena di studiarla.