Il Laboratorio di Ricerca Navale degli Stati Uniti (NRL), in collaborazione con la collaborazione internazionale del Telescopio Fermi Large Area, ha annunciato la scoperta di quasi 300 pulsar gamma. Questa scoperta è stata resa nota nel loro Terzo Catalogo di Pulsar Gamma, segnando un traguardo significativo a 15 anni dal lancio del telescopio Fermi nel 2008. Al momento del lancio di Fermi, erano noti meno di dieci pulsar gamma.
“Il lavoro su questo importante catalogo è stato in corso nel nostro gruppo per anni”, ha detto Paul Ray, Ph.D., capo della sezione di Astrofisica ad Alta Energia e Applicazioni presso l’NRL. “I nostri scienziati e post-dottorandi sono stati in grado di scoprire e analizzare il comportamento temporale e gli spettri di molti di questi nuovi pulsar come parte della nostra ricerca per approfondire la nostra comprensione di queste stelle esotiche che siamo in grado di utilizzare come orologi cosmici”.
I pulsar si formano quando stelle massicce hanno esaurito la loro riserva di carburante e non sono più in grado di resistere alla forza di gravità interna. Questo porta la stella a collassare in una stella di neutroni densa e rotante. I loro campi magnetici rotanti emettono fasci di raggi gamma, la forma più energetica di luce. Mentre questi fasci attraversano la Terra, il telescopio gamma-ray Fermi altamente sensibile può osservare i loro impulsi periodici di energia. Con più di 15 anni di dati, Fermi ha trasformato il campo della ricerca sui pulsar.
Pulsar millisecondi e onde gravitazionali
“Siamo stati molto entusiasti di quanti pulsar millisecondi (MSP) siamo stati in grado di rilevare utilizzando questi raggi gamma”, ha detto Matthew Kerr, Ph.D., astrofisico presso l’NRL. “Siamo in grado di studiare questi oggetti che hanno iniziato come giovani pulsar in un sistema binario. Come una trottola, alla fine hanno rallentato e sono diventati inerti. Nel corso di centinaia di milioni di anni, i loro compagni binari hanno riversato materia su di loro, causando un aumento della loro velocità, molto drammatico e molto più veloce di prima, “riciclando” questi pulsar in MSP. Questi MSP ad alta velocità sono ora alcuni degli orologi più precisi della Natura”.
Gli scienziati hanno utilizzato questi orologi cosmici in esperimenti chiamati Pulsar Timing Arrays. Cercando piccole deviazioni nei tempi in cui arrivano gli impulsi, gli scienziati sono stati in grado di cercare increspature nello spaziotempo. Queste increspature, note come onde gravitazionali, sono prodotte quando oggetti molto massicci, come i pulsar, accelerano molto rapidamente. Fonti di onde gravitazionali molto forti indicano uno schianto cataclismatico di oggetti densi e compatti come stelle di neutroni e buchi neri.
Recentemente, diverse collaborazioni di array di temporizzazione dei pulsar, tra cui diversi ricercatori dell’NRL, hanno pubblicato le prime prove convincenti di onde gravitazionali a bassissima frequenza, probabilmente dalla fusione di buchi neri supermassicci. “Questi sono risultati così eccitanti”, ha detto Thankful Cromartie, Ph.D., un National Research Council Research Associate presso l’NRL. “Queste onde gravitazionali a bassa frequenza ci permettono di guardare nei centri di galassie massicce e capire meglio come si sono formate”.
Applicazioni pratiche e ricerca futura
I risultati dell’array di temporizzazione dei pulsar hanno importanti applicazioni pratiche. Le distorsioni dello spaziotempo pongono un limite a quanto possiamo utilizzare i pulsar per la navigazione e la temporizzazione critica. Nella navigazione basata sui pulsar, questi pulsar rotanti svolgono più o meno lo stesso ruolo dei satelliti GPS, ma possiamo utilizzarli ben oltre l’orbita terrestre. “Ora sappiamo dove si trova quel limite di stabilità finale”, ha detto il dottor Ray.
Utilizzare le capacità di rilevamento dei raggi gamma di Fermi sta avendo anche un impatto sul lavoro dell’array di temporizzazione dei pulsar. “In precedenza, una volta trovato un MSP, dovevamo passarlo agli astronomi radio per monitorarlo con enormi telescopi”, ha detto il dottor Kerr. “Quello che abbiamo scoperto è che Fermi è abbastanza sensibile da solo per limitare queste onde gravitazionali e, a differenza delle onde radio, che vengono piegate come la luce in un prisma mentre viaggiano verso la terra, i raggi gamma ci arrivano dritti. Questo riduce potenziali errori sistematici nelle misurazioni”.
Per Megan DeCesar, Ph.D., scienziata della George Mason University che lavora presso l’NRL, l’aspetto più intrigante del nuovo lavoro è l’aumento drammatico dei pulsar “ragno”. “I pulsar ragno sono chiamati così dopo gli aracnidi che mangiano i loro compagni più piccoli”, ha detto DeCesar. “Qualcosa di simile può accadere quando una stella di neutroni e il suo compagno binario sono molto vicini l’uno all’altro e il processo di “riciclaggio” MSP si lascia un po’ trasportare. L’intensa radiazione e il vento di particelle dal pulsar erodono la superficie dell’altra stella, risultando in un soffio di materiale evaporato”.
Quando confrontato con le osservazioni radio, Fermi è particolarmente abile nel trovare questi “ragni”, poiché, in molti casi, le onde radio vengono eclissate mentre il fascio del pulsar passa i resti della stella compagna. I raggi gamma, tuttavia, sono in grado di passare direttamente. “Anche se potrebbe essere che i sistemi di ragni siano anche intrinsecamente più luminosi nei raggi gamma, studiarli ci aiuterà a capire le loro origini e la bonanza di scoperte che abbiamo fatto con Fermi”, ha detto DeCesar.
Il Terzo Catalogo di Pulsar Gamma è pubblicato nell’Astrophysical Journal, Supplement. Questa raccolta delle ultime informazioni sui pulsar gamma, con la sua forma coerente, dovrebbe rivelarsi inestimabile per la comunità scientifica.
