Fast optical spectroscopic observations of PSR J1023+0038 over one orbital period
Questo articolo presenta le prime osservazioni spettroscopiche ottiche del ciclo orbitale completo su scala temporale di minuti della pulsar millisecondo di transizione PSR J1023+0038, rivelando una rapida variabilità nelle proprietà delle linee di emissione e strutture asimmetriche che supportano uno scenario di coesistenza di accrezione ed espulsione di materia nel suo stato di disco sub-luminoso.
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Immaginate l'universo come una pista da ballo cosmica dove le stelle a volte si accoppiano, ruotando e vorticando in un valzer gravitazionale. In alcune di queste coppie, un partner è una stella morta chiamata stella di neutroni, così densa che un cucchiaino del suo materiale peserebbe un miliardo di tonnellate sulla Terra. Queste stelle di neutroni possono essere "pulsar millisecondo", che sono come fari cosmici che ruotano centinaia di volte al secondo, emettendo onde radio nello spazio. Di solito, sono alimentate dalla propria rotazione rapida, ma a volte ricevono una seconda ventata di energia. Se il loro partner stellare è abbastanza vicino, la stella di neutroni può iniziare a rubare gas da esso, formando un disco rotante di materiale super-caldo. Questa è la fase di "accrescimento". Il affascinante mistero che gli scienziati stanno cercando di risolvere è come questi sistemi passino avanti e indietro tra l'essere alimentati dalla loro rotazione e l'essere alimentati dal gas rubato. È come un'auto che può improvvisamente passare dal funzionare con la propria batteria al funzionare con il carburante, e poi di nuovo, senza che nessuno tocchi l'accensione. Comprendere questo ci aiuta a capire come le stelle di neutroni crescano e come interagiscano con i loro vicini.
Ora, facciamo uno zoom su una specifica celebrità di questa pista da ballo cosmica: un sistema stellare chiamato PSR J1023+0038 (o J1023 per brevità). Questo sistema è una "pulsar millisecondo di transizione", il che significa che è l'esempio perfetto di una stella di neutroni che è stata colta nel passaggio tra i suoi due modi di alimentazione. Per molto tempo, gli astronomi hanno osservato J1023, ma lo hanno guardato principalmente con occhi a raggi X o hanno scattato istantanee della sua luce. In questo nuovo studio, un team di astronomi ha deciso di girare un video ad alta velocità di J1023 usando un gigante telescopio chiamato Gran Telescopio Canarias. Non si sono limitati a scattare alcune foto; hanno catturato uno spettro (una scomposizione dettagliata dei colori della luce) ogni singolo minuto per oltre quattro ore, coprendo un intero periodo orbitale delle due stelle attorno l'una all'altra. È come guardare un film di una trottola, fotogramma per fotogramma, per vedere esattamente come cambia l'oscillazione.
Hanno scoperto che c'è molto dramma nell'accadere della luce. Il team ha osservato specifiche "impronte digitali" nella luce, chiamate righe di emissione, che sono come firme luminose lasciate dal gas di idrogeno ed elio che ruota nel disco. Hanno misurato due cose: quanto erano brillanti queste righe (la "larghezza equivalente") e quanto velocemente si muoveva il gas (la "larghezza a metà altezza", o FWHM). Hanno scoperto che queste proprietà cambiavano selvaggiamente su scale temporali di appena pochi minuti. A volte, il gas sembrava rallentare e, esattamente nello stesso momento, la luminosità della riga diminuiva. Gli autori suggeriscono che questo potrebbe essere un segno che la parte interna del disco di gas viene espulsa o "espulsa" dal sistema, forse quando la stella di neutroni passa al suo modo di attività "basso". È come se il disco di gas avesse dei singulti, sputando fuori piccoli grumi di materiale ogni pochi minuti.
Il team ha anche cercato di mappare da dove provenisse questo gas utilizzando una tecnica chiamata "tomografia Doppler", che è come creare una mappa di velocità del gas che ruota. La mappa ha mostrato che il gas non stava ruotando in un cerchio perfetto e simmetrico. Invece, appariva asimmetrico, con più gas su un lato rispetto all'altro. Questa asimmetria suggerisce che parte del materiale venga lanciato fuori dal sistema, possibilmente da un effetto "propeller" (elica) dove la stella di neutroni rotante scaglia via il gas. Tuttavia, gli autori sono cauti nel dire che questo non è un fatto provato. I dati sono complicati, e sebbene l'idea del "propeller" si adatti alla forma della mappa, altri fattori — come il fatto che la stella di neutroni non stia rallentando la rotazione così velocemente come dovrebbe fare un elica — rendono il quadro complicato. Hanno anche cercato segni di venti forti che soffiano via dalla stella, come una firma "P Cygni", ma il loro telescopio non era abbastanza nitido per vedere chiaramente queste caratteristiche specifiche.
Infine, hanno esaminato il bagliore complessivo del sistema (il "continuum"). Hanno visto un debole e ritmico aumento e diminuzione della luminosità che corrispondeva al periodo orbitale delle stelle. Questo è probabilmente dovuto al fatto che la stella compagna viene riscaldata dalla luce intensa della stella di neutroni, agendo come un riflettore cosmico che brilla di più quando il lato riscaldato ci è rivolto. Interessante è che, quando il sistema era al suo massimo splendore, le righe di gas apparivano più "rosse", suggerendo che le parti interne del disco potrebbero essersi ripulite o stiano cambiando forma.
In breve, questo articolo fornisce il primo film minuto per minuto della luce di J1023. Suggerisce che il disco di gas sia un luogo caotico e inquieto, in costante mutamento e che occasionalmente espelle materiale. Sebbene gli autori non possano dire con certezza cosa stia causando questi cambiamenti senza ulteriori dati (specialmente dati a raggi X raccolti contemporaneamente), le loro scoperte supportano l'idea che l'accrescimento e i flussi in uscita stiano accadendo contemporaneamente. È un promemoria del fatto che, anche nello stato "sub-luminoso" di una stella di neutroni, la danza cosmica è tutt'altro che immobile.
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