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IAU 291: Neutron Stars and Pulsars: Challenges and Opportunities after 80 years

IAU Symposium 291 will be held on 20 – 24 August, 2012, in association with the 28th IAU General Assembly in Beijing. Pulsar research covers a wide range of astrophysics. It has advanced rapidly in the last few years with many exciting discoveries at radio, X-ray and gamma-ray wavelengths and significant progress in our theoretical understanding of the pulsar phenomenon. This Symposium aims to highlight these recent developments in a broad overview of the current state of pulsar research.  Continua a leggere IAU 291: Neutron Stars and Pulsars: Challenges and Opportunities after 80 years

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Il ‘risveglio’ di un buco nero dormiente

Illustrazione dell’oggetto Swift J1644+57.
Credit: NASA/Swift

L’anno scorso, un gruppo di astronomi identificarono in una galassia distante un buco nero quiescente che mostrava una particolare attività in seguito all’interazione gravitazionale dovuta ad una stella che passava nelle sue immediate vicinanze. Oggi, i ricercatori hanno registrato un segnale caratteristico, nella banda dei raggi-X, che è stato monitorato nei giorni a seguire l’intensa emissione di radiazione causata dalla materia che sta cadendo verso il buco nero.

Questo ‘segnale di coda’, chiamato oscillazione quasi-periodica (QPO), è una caratteristica dei dischi di accrescimento che di solito circondano gli oggetti più densi e più compatti dell’Universo: nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri. I segnali QPO sono stati osservati in molti buchi neri di massa stellare e ci sono chiare evidenze che essi sono associati anche a buchi neri che hanno masse comprese tra 100 e 100 mila volte la massa del Sole. Fino a questa scoperta, i QPO sono stati rivelati solo da un buco nero supermassiccio, cioè il caso più estremo che può contenere alcune milioni di volte la massa solare, che sono situato tipicamente nel nucleo delle galassie. Questo oggetto è noto con la sigla REJ 1034+396 e si tratta di una galassia di Seyfert che si trova alla distanza, relativamente vicina, di 576 milioni di anni-luce. “Questa scoperta ci permette di avere maggiori indizi sulle regioni più vicine al buco nero distante alcuni miliardi di anni-luce, un fatto decisamente entusiasmante. Inoltre, i dati ci aiutano a verificare la relatività generale ad una epoca in cui l’Universo appariva in maniera diversa rispetto a oggi” spiega Rubens Reis dell’University of Michigan in Ann Arbor. La sorgente di raggi-X, denominata Swift J1644+57 e che si trova nella costellazione del Dragone, è stata identificata nel mese di Marzo del 2011 dal satellite Swift in una galassia distante quasi 4 miliardi di anni-luce. Inizialmente si era pensato si trattasse di un comune gamma-ray burst (GRB) ma poi il suo graduale indebolimento non assomigliava a nessun evento visto prima. Gli astronomi furono subito consapevoli che ciò che stavano osservando non era altro che la parte finale di un evento straordinario, il ‘risveglio’ di un buco nero dormiente.


[Press release: ‘Cry’ of a Shredded Star Heralds a New Era for Testing Relativity]

Sistemi binari compatti e l’emissione di onde gravitazionali

Simulazione ai super computer di onde gravitazionali prodotte da binarie in collisione.
Credit: Stephan Rosswog ed Enrico Ramirez-Ruiz

L’evento finale che porta, con una violenta esplosione, una coppia di stelle di neutroni alla loro fusione (merging), può rappresentare un meccanismo efficiente per produrre onde gravitazionali che siano rivelabili dagli strumenti a terra. Uno studio recente ad opera di alcuni ricercatori dell’Università della California, a Santa Cruz, permette, per la prima volta, di fare delle previsioni su dove potrà accadere con maggiore probabilità questo fenomeno dimerging  nella nostra Galassia.

Secondo Enrico Ramirez-Ruiz, professore associato di astronomia e astrofisica presso la UC a Santa Cruz, questi dati sono importanti perché forniscono delle informazioni vitali per i ricercatori che studiano le onde gravitazionali con i rivelatori quali LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory). Una delle previsioni più significative della teoria della relatività generale di Einstein è la formazione di “distorsioni” o “increspature” nello spaziotempo dovute al moto di oggetti dotati di grande massa, come ad esempio le stelle. Gli scienziati devono ancora rivelare direttamente le onde gravitazionali dato che esse sono estremamente deboli. Tuttavia, la costruzione di un apparato più avanzato, chiamato Advanced LIGO, dovrebbe fornire una maggiore sensibilità allo strumento per la rivelazione delle onde gravitazionali. I sistemi stellari binari compatti, di solito caratterizzati da due stelle di neutroni, o da due buchi neri, o da una stella di neutroni e da un buco nero, rappresentano i migliori candidati per studiare l’emissione di onde gravitazionali. In questi particolari sistemi stellari, i due oggetti non solo si muovono in orbita l’uno attorno all’altro, ma si spostano nello spazio con una velocità tipica dell’ordine di 200 Km/sec. La velocità di “spinta” che manda “fuori” dalle proprie galassie i sistemi binari, e perciò li rende maggiormente identificabili, deriva da una leggera asimmetria che si produce durante le esplosioni di supernova che danno luogo alla formazione di stelle di neutroni o buchi neri. Si calcola che l’1% dell’effetto dell’asimmetria durante le esplosioni di supernovae si trasforma in velocità di rinculo che ha un valore caratteristico equivalente di circa 1000 Km/sec, valore che rappresenta la massima velocità osservata per stelle di neutroni isolate. Nei sistemi binari, invece, la velocità netta di spinta è molto inferiore, e ancora incerta, ma rimane dell’ordine di 200 Km/sec. Questi studi serviranno per individuare la presenza di sistemi binari che stanno per fondersi e dar luogo all’emissione di onde gravitazionali e che potranno essere osservati dai telescopi che scrutano ampie regioni di cielo, come il Large Synoptic Survey Telescope (LSST).

ArXiv: THE DISTRIBUTION OF COALESCING COMPACT BINARIES IN THE LOCAL UNIVERSE: PROSPECTS FOR GRAVITATIONAL-WAVE OBSERVATIONS

Un ‘mostro’ stellare con una ‘doppia personalità’

Grazie ad una serie di osservazioni condotte dallo spazio utilizzando telescopi nella banda dei raggi-X, è stato possibile identificare il secondo membro di una classe di stelle collassate. Gli scienziati stanno ora cercando di capire se si tratta di una pulsar o di una magnetar.

La magnetar è un tipo di stella di neutroni, il nucleo collassato di una stella di grande massa che esplode formando una supernova una volta che ha esaurito il proprio combustibile nucleare. Questa classe di stelle è caratterizzata da una luminosità estrema, da una elevata emissione di raggi-X e dai più forti campi magnetici noti nell’Universo. La pulsar, invece, è sempre una stella di neutroni che ruota rapidamente emettendo impulsi sottoforma di onde radio ed è dotata di campi magnetici molto meno intensi rispetto a quelli presenti nelle magnetar. La stella recentemente identificata appare come un ibrido tra le due precedenti classi di stelle: in altre parole, lo ‘scheletro’ stellare in rotazione sembra una pulsar che allo stesso tempo nasconde un intenso campo magnetico tipico di una magnetar. Inoltre, il campo magnetico interno è molte volte più intenso rispetto a quello più esterno e ciò la rende come la prima stella della classe “magnetar con campi magnetico meno intensi”. Si conoscono altri due esempi appartenenti a questa classe: la prima venne scoperta nel 2010 e la seconda nel 2011 grazie ad una breve ed intensa emissione di raggi-X (burst) che furono registrati dal satellite Swift. Nel nostro caso, i satelliti Rossi X-Ray Timing ExplorerChandra X-ray ObservatoryXMM-Newton e il Japan’s Suzaku satellite, con l’aiuto del Gran Telescopio Canarias e del Green Bank Telescope, sono stati allertati per monitorare l’attività stellare fino allo scorso mese di Aprile quando l’emissione dei raggi-X ha cominciato ad indebolirsi. La scoperta di un secondo membro appartenente ad una rara classe di stelle rafforza l’idea che il comportamento tipico di una magnetar possa essere molto più comune di quanto ipotizzato nel passato.

[Press release: A magnetic monster’s dual personality]

Tunnel spaziotemporali di ‘livello stellare’

I tunnel spaziotemporali, noti come ponti di Einstein-Rosen, sono un esempio di oggetti strani contemplati dalla teoria della relatività generale. Anche se nessun esperimento ha dimostrato finora la loro esistenza, gli scienziati ritengono che essi potrebbero essere delle vere e proprie “scorciatoie” tra un punto e l’altro dello spazio. Oggi, nuovi studi suggeriscono che queste particolari strutture potrebbero esistere tra le stelle e anzichè essere vuoti esse potrebbero contenere una sorta di “fluido perfetto”, un plasma che si connetterebbe tra due stelle rendendole in qualche modo riconoscibili.

Alcuni scienziati guidati da Vladimir Dzhunushaliev, dell’Eurasian National University in Kazakhstan, hanno studiato questa possibilità trovando che le strutture d’ingresso verso le porte del tunnel sarebbero compatibili con le stelle. Questa idea ha condotto i ricercatori a pensare al fatto che i wormholes possano esistere non solo tra le stelle normali ma anche tra oggetti ancora più densi e collassati: le stelle di neutroni. A grandi distanze, questi sistemi si mostrerebbero ancora come delle stelle vere e proprie o come stelle di neutroni classiche ma mostrerebbero delle differenze che potrebbero essere addirittura rivelate. E per rivelare queste peculiarità, i ricercatori hanno sviluppato un modello di una stella normale con un tunnel che si diparte dal suo centro e attraverso cui la materia esotica si muove. Due stelle che condividono lo stesso wormhole avrebbero perciò una connessione univoca dato che esse sono collegate alle aperture dello stesso tunnel. Inoltre, dato che la materia esotica si comporterebbe come una specie di fluido, le stelle dovrebbero “pulsare” in un modo insolito e queste pulsazioni dovrebbero dar luogo all’emissione di alta energia, sottoforma di raggi cosmici estremamente energetici. Tutto molto bello ed interessante peccato che la parte più difficile è quella di calcolare esattamente che tipo di oscillazioni e quale forma di energia ci aspettiamo. Insomma, queste informazioni potrebbero essere utili per capire come potrebbe apparire dalla Terra un sistema stellare con wormhole al fine di andare ad identificare nello spazio queste eventuali strutture esotiche.

ArXiv: A Star Harbouring a Wormhole at its Center

Quando due stelle di neutroni ‘collidono’

Simulazione della collisione di due stelle di neutroni che danno luogo a un gamma-ray burst.

Una nuova simulazione realizzata con i supercomputer mostra che la collisione di due stelle di neutroni produce una struttura complessa di campi magnetici che accelerano le particelle ad altissime velocità dando luogo ai burst di alta energia, noti come gamma-ray burst. Questo studio fornisce nuovi e dettagliati indizi sulle forze che guidano le esplosioni più energetiche che conosciamo attualmente nell’Universo.

Credit: NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla

Le immagini mostrano il processo di fusione di due stelle di neutroni realizzato con i supercomputer. I colori più rossi indicano regioni di densità più bassa. Le strutture a filamenti rappresentano, con i colori verde e bianco, i campi magnetici. Le stelle di neutroni mentre orbitano l’una attorno all’altra perdono energia emettendo onde gravitazionali e arrivano alla fusione dopo circa tre orbite, in meno di 8 millisecondi secondo questo modello. Alla fine del processo si forma un buco nero e la struttura del campo magnetico appare più amplificata e più ordinata e può essere accompagnata da strutture a forma di getti che sono responsabili dei gamma-ray burst di breve durata.

Arp 147, un enorme ‘anello’ di buchi neri e stelle di neutroni

Immagine composita di Arp 147 ripresa con il satellite Chandra (violetto), HST (rosso, verde, blu), GALEX (verde) e Spitzer (rosso).
Credit: X-ray: NASA/CXC/MIT/Saul Rappaport et al, Ottico: NASA/STScI

Alla distanza di circa 430 milioni di anni-luce, si trova il sistema di Arp 147 costituito da una galassia a spirale (a destra) entrata in collisione con una galassia ellittica (a sinistra). La collisione ha determinato una sorta di “onda d’urto” formata da tante regioni di formazione stellare che appaiono come un gigantesco “anello” che contiene stelle giovani e massicce. Nel corso della loro rapida evoluzione stellare, dell’ordine di qualche milione di anni, le stelle sono esplose diventando supernovae e lasciando come prodotto finale stelle di neutroni e buchi neri.

Un certo numero di stelle di neutroni e di buchi neri diventeranno nel corso del tempo sistemi binari o multipli e perciò si mostreranno come sorgenti di raggi-X molto brillanti. Le nove sorgenti di raggi-X che si trovano nell’anello di Arp 147 (vedasi immagine) sono così brillanti che devono contenere buchi neri con masse stimate nell’intervallo 10-20 volte la massa del Sole. Inoltre, è stata rivelata una sorgente di raggi-X proprio nel nucleo della galassia ellittica e che potrebbe contenere a sua volta un buco nero supermassiccio.

ArXiv: LUMINOUS X-RAY SOURCES IN ARP 147

Quanto è ‘scura’ la materia scura?

Un gruppo di ricercatori dell’Università della Florida ha trascorso quasi dieci anni a monitorare un esperimento che utilizza rivelatori al germanio e al silicio, raffreddati fino a qualche frazione di grado sopra lo zero assoluto, allo scopo di studiare la materia scura. Il risultato? Forse si è trovato qualcosa che suggerisce di continuare la ricerca.

Per capire gli effetti dovuti alla presenza della materia scura basta dare una occhiata, ad esempio, al Sistema Solare dove Mercurio, per rimanere in orbita attorno al Sole, si deve muovere con una velocità orbitale di 48 Km/sec mentre il più lontano Nettuno lo fa muovendosi con una velocità orbitale di soli 5 Km/sec. Ciò non si osserva nel caso della Via Lattea o in altre galassie. In altre parole, la materia nelle regioni più esterne di una galassia a spirale si muove quasi con la stessa velocità orbitale della materia che si trova invece in prossimità delle regioni più centrali della galassia. Questo fatto è alquanto sorprendente dato che non sembra esistere abbastanza gravità nelle regioni più esterne del sistema galattico che possa mantenere la materia in orbita attorno alla galassia dato che, altrimenti, si disperderebbe nello spazio. Ciò implica che deve esistere una maggiore forza gravitazionale per spiegare come mai queste galassie continuano ad orbitare e stare insieme, cioè deve esistere altra materia che non vediamo e che per motivi di ignoranza chiamiamo appunto materia scura. Sappiamo che la presenza di materia scura è importante per mantenere gli ammassi di galassie legati gravitazionalmente e, inoltre, essa ci permette di spiegare il fenomeno della lente gravitazionale su larga scala, come si può vedere ad esempio nel Buller Cluster. I modelli ricostruiti al computer suggeriscono che le galassie possono avere aloni di materia scura e che essa può essere distribuita all’interno della loro struttura nello spazio intergalattico determinando così il 90% della massa galattica totale. Attualmente si ritiene che una piccola componente di materia scura sia di tipo barionico, cioè formata da protoni e neutroni, e che può esistere sotto forma di gas freddo e denso, come buchi neri, stelle di neutroni, nane brune o pianeti massicci e isolati (planemi), tutte componenti note come Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHOs). Tuttavia queste componenti non producono quegli effetti gravitazionali osservati che sono invece dovuti appunto alla materia scura. In conclusione la maggior parte di questa componente misteriosa deve esistere nella forma di materia di tipo non barionico, cioè nella forma delle cosiddette Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs).

Tra le particelle note come WIMPs, che probabilmente non hanno carica elettrica, i neutrini, prodotti in abbondanza dalle reazioni di fusione nucleare che hanno luogo nei nuclei delle stelle, potrebbero essere i migliori candidati anche se la loro massa non è sufficiente per giustificare gli effetti osservati. Invece,  la particella ideale per rappresentare la materia scura potrebbe essere il cosiddetto neutralino, una particella ipotetica prevista dalla teoria della supersimmetria. Il secondo esperimento chiamato Cryogenic Dark Matter Search Experiment (CDMS II), costituito da rivelatori a cristalli liquidi, è situato in una miniera di ferro nel Minnesota e ha lo scopo di rivelare solamente alcune particelle che sono in grado di penetrare in profondità il terreno. L’esperimento cerca quegli eventi di ionizzazione che possono essere utilizzati per distinguere le interazioni elettroniche da quelle nucleari. Si assume infatti che una particella WIMP ignori gli elettroni e potenzialmente interagisca con un nucleo. Ad oggi sono stati riportati due possibili eventi che tuttavia non possono essere considerati statisticamente significativi ma possono dare comunque una direzione alla ricerca. I risultati ottenuti dal gruppo di ricercatori indicano non solo quanto sia complicato rivelare una particella WIMP, cioè quanto scura sia la materia scura, ma che dovrà essere necessario migliorare la sensibilità stessa dei rivelatori.

Le pulsar come orologi cosmici per la ricerca di onde gravitazionali

Come facciamo a rivelare le increspature nello spaziotempo? Avremmo bisogno di centinaia di orologi ad alta precisione distribuiti nella Galassia e per fare questo il telescopio per raggi-gamma Fermi ha permesso agli astronomi di trovarle con un metodo tutto nuovo. Gli orologi in questione sono in realtà le pulsar, stelle di neutroni ultradense, compatte e super veloci che hanno un periodo di rotazione dell’ordine dei millisecondi.

Grazie ai loro potenti campi magnetici, le pulsar emettono la radiazione lungo dei beamaltamente focalizzati che ricordano la luce emessa dai fari. Ad ogni rotazione della pulsar corrisponde un impulso di radiazione che risulta abbastanza stabile e viene utilizzano come “orologio standard”. Gli astronomi misurano le più piccole variazioni nel periodo delle pulsar che possono essere collegate ad una distorsione dello spaziotempo in prossimità della stella durante il passaggio di un’onda gravitazionale. Ma c’è un problema perché per ottenere una misura attendibile occorrono centinaia di millisecond pulsar e finora la loro ricerca è risultata alquanto complicata. “Attualmente si conoscono meno dell’un percento di millisecond pulsar nella Via Lattea” dice Scott Ransom del National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Ma le osservazioni realizzate con il telescopio spaziale Fermi hanno decisamente cambiato il metodo di ricerca di questa particolare classe di stelle. Il telescopio Fermi ha di fatto identificato centinaia di sorgenti di raggi-gamma nella Via Lattea che sono principalmente associate aoggetti esotici e tra questi appunto le millisecond pulsar. Questo ha permesso ai radioastronomi di identificare 17 millisecond pulsar in tre mesi quando invece altri metodi richiedevano almeno 10-15 anni di osservazioni.

Dunque ad oggi gli astronomi hanno in mano un insieme sufficiente di “orologi cosmici” per mezzo dei quali la ricerca di onde gravitazionali comincia ad essere più convincente e, grazie al telescopio Fermi, la probabilità di rivelare eventuali ondulazioni del campo gravitazionale diventa sempre più importante.