Venti possenti da binarie a raggi X

Il telescopio spaziale XMM-Newton dell’ESA ha scoperto gas che viaggia a un quarto della velocità della luce in uscita da sistemi binari molto brillanti nei raggi X in due galassie vicine.

A lunghezze d’onda dei raggi X, il cielo è dominato da due tipi di oggetti astronomici: i buchi neri supermassicci, posti al centro delle grandi galassie, che voracemente divorano materiale che li circonda, e i sistemi binari, costituiti da un residuo stellare, nana bianca, stella di neutroni o buco nero, che si nutrono di gas da una stella compagna.

In entrambi i casi, il gas forma un disco vorticoso attorno all’oggetto centrale compatto e molto denso. Non tutto il gas è ingoiato dall’oggetto centrale, però, e una parte potrebbe anche essere espulsa da venti potenti e getti.

Ma negli anni ’80 del secolo scorso una classe intermedia di oggetti è stata scoperta e non è ancora ben compresa. Da dieci a un centinaio di volte più brillanti delle normali binarie a raggi X, queste sorgenti sono tuttavia troppo deboli per essere collegate all’accrescimento dei buchi neri supermassicci, e in ogni caso, si trovano di solito lontano dal centro della loro galassia ospite.

“Pensiamo che queste ‘sorgenti di raggi X ultra-luminosi’ (ultra-luminous X-ray sources), siano sistemi binari un pò speciali, che ingoiano il gas ad un tasso molto più elevato rispetto a un normale sistema binario a raggi X”, spiega Ciro Pinto dell’Institute of Astronomy a Cambridge.

“Alcuni ospitano stelle di neutroni altamente magnetizzate, mentre altri potrebbero nascondere buchi neri di massa intermedia a lungo cercati, che hanno masse intorno a 1000 volte la massa del Sole. Ma nella maggioranza dei casi, il motivo di questo comportamento estremo non è ancora chiaro”.

Ciro è l’autore principale di un nuovo studio, basato su osservazioni del telescopio XMM-Newton, che rivela per la prima volta venti forti a velocità molto elevata provenienti da due di questi oggetti esotici. La scoperta, pubblicata sulla rivista Nature, conferma che queste sorgenti nascondono un oggetto compatto che accresce materia a tassi straordinariamente alti.

Ciro ed i suoi colleghi hanno indagato nell’archivio di XMM-Newton e hanno raccolto osservazioni di tre sorgenti di raggi X ultra-luminosi, tutte ospitate in galassie vicine che distano meno di 22 milioni di anni luce dalla nostra Via Lattea. In tutte e tre le sorgenti, gli scienziati sono stati in grado di identificare l’emissione di raggi X da gas nelle porzioni esterne del disco che circonda l’oggetto compatto centrale.

Ma due delle tre sorgenti, note come NGC 1313 X-1 e NGC 5408 X-1, mostrano anche chiari segni di raggi X in assorbimento dal gas che sta fluendo dalla sorgente centrale alla velocità vertiginosa di 70.000 km/s, quasi un quarto della velocità della luce. “Questa è la prima volta che abbiamo visto venti in fuga da sorgenti di raggi X ultra-luminosi”, dice Ciro. “E c’è di più, dal momento che la velocità molto elevata di questi deflussi ci dice qualcosa sulla natura degli oggetti compatti in queste sorgenti, che stanno freneticamente divorando materia”.

Mentre il gas caldo viene trascinato verso l’interno dalla gravità dell’oggetto centrale, brilla intensamente, e la pressione esercitata dalla radiazione lo spinge verso l’esterno. Questo è un gioco di equilibrio: maggiore è la massa, più velocemente risucchia il gas circostante. Ma questo provoca anche il fatto che il gas si riscaldi più velocemente, emettendo più luce e aumentando la pressione che spazza via il gas.

Vi è un limite teorico su quanta materia può essere accresciuta da un oggetto di una data massa, chiamato ‘Luminosità di Eddington’. È stato dapprima calcolato per le stelle dall’astronomo Arthur Eddington, ma può anche essere applicato a oggetti compatti come buchi neri e stelle di neutroni. Ma nella configurazione studiata da Ciro ed i suoi colleghi, il materiale del disco può brillare 10 volte o più oltre il limite di Eddington e, quando parte del gas sfugge alla presa gravitazionale dell’oggetto centrale, possono verificarsi venti ad elevatissima velocità come quelli osservati da XMM-Newton.

La natura degli oggetti compatti ospitati al centro delle sorgenti osservate in questo studio è, tuttavia, ancora incerta, anche se gli scienziati sospettano che potrebbe trattarsi di buchi neri di massa stellare, con masse di circa varie dozzine di quella solare.

Per indagare ulteriormente, il team sta ancora analizzando l’archivio dei dati di XMM-Newton, alla ricerca di più sorgenti di questo tipo, e sono inoltre in programma osservazioni future a raggi X, così come alle lunghezze d’onda ottiche e radio.

“Con un campione più ampio di sorgenti ed osservazioni su molteplici lunghezze d’onda, speriamo di scoprire finalmente la natura fisica di questi potenti oggetti particolari”, conclude Ciro.