Acceleratori di particelle nel cielo: la NASA esplora la meccanica dei microquasar con IXPE

La scoperta rivoluzionaria dei buchi neri

La missione IXPE della NASA ha trasformato la nostra comprensione dell’accelerazione delle particelle nei buchi neri, utilizzando il microquasar SS 433 come caso di studio per rivelare campi magnetici allineati all’interno dei suoi getti.

• La scoperta rivoluzionaria dei buchi neri

• Uno sguardo più da vicino a SS 433

• Scoperte rivoluzionarie e implicazioni future

I potenti campi gravitazionali dei buchi neri possono divorare interi pianeti di materia, spesso così violentemente che espellono flussi di particelle che viaggiano vicino alla velocità della luce in formazioni note come getti. Gli scienziati comprendono che questi getti ad alta velocità possono accelerare queste particelle, chiamate raggi cosmici, ma poco si sa con certezza su quel processo.

Recenti scoperte di ricercatori che utilizzano dati dalla missione IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) della NASA forniscono nuovi indizi su come avviene l’accelerazione delle particelle in questo ambiente estremo. Le osservazioni provengono da un “microquasar”, un sistema composto da un buco nero che sottrae materiale da una stella compagna.

Uno sguardo più da vicino a SS 433

Il microquasar in questione, Stephenson e Sanduleak 433, o SS 433, si trova al centro del resto di supernova W50 nella costellazione dell’Aquila, a circa 18.000 anni luce dalla Terra. I potenti getti di SS 433, che distorcono la forma del resto e gli hanno valso il soprannome di “Nebulosa Manatee”, sono stati misurati a circa il 26% della velocità della luce, o più di 77.000 chilometri al secondo. Identificato alla fine degli anni ’70, SS 433 è il primo microquasar mai scoperto.

I tre telescopi a bordo di IXPE misurano una proprietà speciale della luce a raggi X chiamata polarizzazione, che dice agli scienziati sull’organizzazione e l’allineamento delle onde elettromagnetiche alle frequenze dei raggi X. La polarizzazione dei raggi X aiuta i ricercatori a comprendere i processi fisici che avvengono all’interno di regioni estreme del nostro universo come l’ambiente intorno ai buchi neri e come le particelle vengono accelerate in queste regioni.

Scoperte rivoluzionarie e implicazioni future

IXPE ha trascorso 18 giorni tra aprile e maggio del 2023 studiando un sito di accelerazione nel lobo orientale di SS 433, dove le emissioni sono prodotte da elettroni energetici che spiraleggiano in un campo magnetico, un processo chiamato radiazione sincrotrone.

“I dati IXPE mostrano che il campo magnetico vicino alla regione di accelerazione punta nella direzione in cui si muovono i getti”, ha detto l’astrofisico Philip Kaaret del Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, Alabama, e investigatore principale della missione IXPE, insieme all’autore principale di un nuovo articolo sui risultati a SS 433.

“L’alto livello di polarizzazione osservato con IXPE mostra che il campo magnetico è ben ordinato, con almeno metà del campo allineato nella stessa direzione”, ha detto Kaaret.

Questa scoperta è stata inaspettata, ha detto. Gli ricercatori hanno a lungo teorizzato che l’interazione tra il getto e il mezzo interstellare, l’ambiente di gas e polvere tra le stelle, probabilmente crea uno shock, portando a campi magnetici disordinati.

I dati suggeriscono una nuova possibilità, ha detto Kaaret, che i campi magnetici all’interno dei potenti getti possano essere “intrappolati” e allungati quando si scontrano con la materia interstellare, influenzando direttamente il loro allineamento nella regione di accelerazione delle particelle.

Dagli anni ’80, i ricercatori hanno supposto che i getti di SS 433 agiscano come acceleratori di particelle. Nel 2018, gli osservatori all’Osservatorio Cherenkov ad Alta Quota in Puebla, Messico, hanno verificato l’effetto di accelerazione dei getti, e gli scienziati hanno utilizzato i telescopi spaziali NuSTAR della NASA e XMM-Newton dell’Agenzia Spaziale Europea per individuare la regione di accelerazione.

Mentre i ricercatori continuano a valutare i risultati di IXPE e studiano nuovi obiettivi nello spazio, i suoi dati potrebbero anche aiutare a determinare se lo stesso meccanismo agisce per allineare i campi magnetici nei flussi espulsi da una varietà di fenomeni, dai getti di buchi neri che si allontanano dai resti di supernova ai detriti espulsi da stelle esplose come i blazar.

“Questa misurazione molto delicata è stata resa possibile dalle capacità di imaging dei polarimetri a raggi X di IXPE, rendendo possibile il rilevamento del segnale tenue in una piccola regione del getto a 95 anni luce dal buco nero centrale”, ha detto Paolo Soffitta, investigatore principale italiano per la missione IXPE.

Il nuovo articolo, che dettaglia le osservazioni di IXPE a SS 433, è disponibile nell’ultima edizione del The Astrophysical Journal .

IXPE è una collaborazione tra la NASA e l’Agenzia Spaziale Italiana con partner e collaboratori scientifici in 12 paesi. IXPE è guidato dal Marshall Space Flight Center della NASA. Ball Aerospace, con sede a Broomfield, Colorado, gestisce le operazioni della navicella spaziale insieme al Laboratory for Atmospheric and Space Physics dell’Università del Colorado a Boulder.