11 Mar 2022 Raggi Gamma ad Altissima Energia da una Nova Estrema
Una rara stella soggetta a ripetute eruzioni è in grado di generare potenti raggi gamma, la radiazione elettromagnetica più energetica. La stella, una nana bianca appartenente al sistema binario RS Ophiuchi, è intenta a cannibalizzare una stella gigante che le orbita attorno, raggiungendo in alcuni casi una massa critica che provoca l’innesco di una poderosa esplosione termonucleare. Le possenti onde d’urto che si diffondono nello spazio a seguito della detonazione stellare trasformano l’oggetto in un vero e proprio acceleratore naturale di particelle.
Una nova è un’esplosione sulla superficie di una nana bianca, capace di produrre una tale energia da incrementare di milioni di volte la luminosità della stella. Questi eventi eccezionali accadono quando una nana bianca, il denso nucleo residuo di una stella morta simile al Sole, strappa via materiale da una stella compagna, fino a raggiungere un limite di massa tale da innescare un’esplosione termonucleare. Per molti anni gli scienziati hanno ipotizzato che le reazioni innescate sulla superficie di una nana bianca alimentassero direttamente tutta la luce dell’esplosione, ma recentemente si è preso in considerazione un altro fattore fondamentale: la formazione di potenti fronti d’urto che si propagano nel materiale in espansione.
Il materiale viene espulso dalla nana bianca in fasi successive e con velocità differenti: può quindi collidere con il gas già espulso in precedenza. In questo modo si formano onde d’urto che riscaldano il materiale a temperature estreme, producendo gran parte della luminosità visibile della nova. Un altro effetto dei fronti d’urto è la produzione di raggi gamma, il tipo di radiazione elettromagnetica con la più alta energia. Grazie all’Osservatorio per raggi gamma H.E.S.S. in Namibia, gli astronomi hanno osservato un vero e proprio acceleratore di particelle cosmico, durante un evento di nova provocato da una potente eruzione nel sistema RS Ophiuchi.
Questo sistema binario è composto da una nana bianca che sottrae materiale dalla sua compagna, una stella gigante rossa. Quando la nana bianca raggiunge una massa critica, si innesca una reazione termonucleare con conseguente esplosione della nova e viene espulsa verso l’esterno una massa pari a quella di un pianeta come la Terra. RS Ophiuchi è una nova ricorrente, con ripetute esplosioni si ripresentano solitamente ogni 15-20 anni. Le onde d’urto conseguenti alle potenti eruzioni colpiscono le particelle del materiale circostante, accelerandole fino a energie estreme.
Sorprendentemente, le osservazioni rivelano che l’eruzione esplosiva in RS Ophiuchi provoca un’accelerazione delle particelle fino a velocità che raggiungono il limite teorico, corrispondente a condizioni ideali. “La distanza tra le stelle che formano il sistema è pari circa a quella tra la Terra e il Sole”, spiega Alison Mitchell, tra gli autori dello studio pubblicato su Science. “Quando la nova è esplosa nell’agosto 2021, il telescopio H.E.S.S. ci ha permesso di osservare un’esplosione nei raggi gamma ad energia molto alta, per la prima volta nella galassia”. Le osservazioni suggeriscono che le particelle siano state accelerate fino a energie centinaia di volte più alte rispetto a quelle comunemente osservate nelle novae.
In aggiunta, l’energia rilasciata dall’esplosione si è convertita in modo molto efficace in protoni accelerati e nuclei pesanti, tanto che l’accelerazione delle particelle ha raggiunto le massime velocità calcolate dai modelli teorici. “L’osservazione che il limite teorico per l’accelerazione delle particelle può essere davvero raggiunto in vere e proprie onde d’urto cosmiche, ha enormi implicazioni per gli astrofisici. Suggerisce che il processo di accelerazione nelle novae potrebbe essere così efficiente come avviene nelle loro parenti più prossime, le supernove”, spiega Ruslan Konno, tra gli autori dello studio.
Durante l’eruzione di RS Ophiuchi, i ricercatori sono riusciti per la prima volta a seguire lo sviluppo della nova in real time. Questo ha permesso loro di osservare e studiare l’accelerazione di particelle cosmiche come in un film. Il team ha potuto misurare raggi gamma ad alta energia fino a un mese dopo l’esplosione, raccogliendo preziosi indizi sul funzionamento di queste titaniche esplosioni cosmiche.
Nell’immagine rappresentazione artistica del sistema composto da una nana bianca e una gigante rossa dopo l’eruzione. Il materiale espulso dalla superficie della nana bianca genera onde d’urto che si espandono rapidamente, formando una struttura a forma di clessidra. Le particelle vengono accelerate in questi fronti d’urto, che collidono con il vento della stella gigante rossa producendo fotoni gamma ad alta energia.
Image: DESY/H.E.S.S., Science Communication Lab
https://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=2249&two_columns=0
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