Benvenuti nel mondo del microquasar Ss 433

Ss 433 è un microquasar situato nella costellazione dell’Aquila, a circa 15mila anni luce dalla Terra. Crediti: L. Calçada / Eso

Intriganti ed enigmatici, i quasar (quasi-stellar radio source) sono riluttanti a scoprire i loro segreti, sebbene brillino anche a miliardi di anni luce di distanza. Fortunatamente, possiamo scoprire di più sul loro conto osservando i microquasar, corpi celesti imparentati alle quasar, da cui prendono il nome per via di alcune caratteristiche comuni. Uno di questi, il microquasar Ss 433, è ormai da tempo che desta, tra gli astronomi, particolare interesse. Molti anni di osservazione di Ss 433 dall’osservatorio Hawc (High-Altitude Water Cherenkov Observatory Gamma-Ray Observatory) hanno permesso di identificare, per la prima volta, dettagli spettacolari dei processi responsabili della produzione di radiazioni ad alta energia.

Il mondo del microquasar Ss 433, che negli ultimi mesi è stato uno dei principali oggetti di interesse di Hawc, probabilmente è una delle viste più maestose e spettacolari che l’uomo può osservare. Accanto a una brillante stella gigante si annida una vorace “palla di  nulla”: un buco nero che risucchia la materia della sua splendente compagna. Le particelle di materia, cadendo verso l’orizzonte degli eventi, formano un vortice disposto su un piano, parte del quale scorre verso l’asse di rotazione del buco nero. Da entrambi i poli, stretti getti di materia vengono emessi in direzioni opposte, collimati dagli artigli invisibili dei campi magnetici, trapassando l’abisso del cosmo e scontrandosi con il guscio in espansione della materia che circonda il sistema stellare, resto dell’esplosione di una supernova.

Le ultime osservazioni di Ss 433 sono di natura pionieristica. Per la prima volta nella storia dello studio dei microquasar, sono state registrate radiazioni gamma con un’energia elevatissima, e un’attenta analisi dei dati ha portato a conclusioni sorprendenti sui siti e sui meccanismi responsabili della sua produzione. I risultati della ricerca, presentati su Nature lo scorso ottobre, sono stati ottenuti grazie al lavoro del team internazionale del progetto Hawc, che comprende scienziati provenienti da Stati Uniti, Messico, Polonia e Germania.

Questa immagine del Telescopio Spaziale Hubble rivela un bagliore stellato al centro della galassia Markarian 231, il quasar più vicino alla Terra. Crediti: Hst/Nasa

I quasar, nuclei galattici attivi, sono alcuni degli oggetti più insoliti e allo stesso tempo più luminosi dell’universo. La forza motrice di un quasar è il buco nero supermassiccio che si trova nel suo centro, circondato da un disco di accrescimento formato dalla materia che sta cadendo nel buco nero stesso. I quasar sono sorgenti di radiazioni elettromagnetiche estremamente intense, che coprono quasi l’intero spettro: dalle onde radio ai raggi gamma ad alta energia. Essendo un tipo di nucleo galattico, i quasar sono per definizione oggetti distanti. Il quasar più vicino, Markarian 231, alimentato da una coppia di buchi neri supermassicci che ruotano a velocità folli l’uno intorno all’altro, si trova nel nucleo di una galassia distante 600 milioni di anni luce. Ovviamente una simile distanza non aiuta nelle osservazioni ad alta risoluzione che faciliterebbero la comprensione della natura dei processi che si svolgono nell’oggetto che si sta studiando.

Fortunatamente, il ricco menù offerto dall’universo include anche quasar in miniatura. Quello che un quasar fa su scala galattica, il microquasar lo fa sulla scala di un sistema stellare. I buchi neri di Markarian 231 sono giganteschi: il più piccolo ha una massa pari a 4 milioni di volte quella del Sole, la massa più grande è 150 milioni di volte più grande. Il microquasar più vicino a noi, Ss 433, situato sullo sfondo della costellazione dell’Aquila, è un sistema binario con dimensioni decisamente inferiori. In questo caso è presente un oggetto molto denso, probabilmente un buco nero con una massa di diversi soli, resto dell’esplosione di una supernova. Il buco nero sta divorando la materia che si trova su un disco di accrescimento alimentato da un vento stellare proveniente da una stella supergigante di tipo spettrale A (una stella simile a Deneb, la stella più luminosa nella costellazione del Cigno, facilmente visibile nel cielo notturno). Questa coppia pittoresca, le cui componenti girano l’una attorno all’altra ad un ritmo impressionante di 13 giorni, circondata dalla nebulosa W50, dista solo 18mila anni luce dalla Terra.

A sinistra: raggi gamma registrati da Hawc dalla sorgente Mgro J1908 + 06 (al centro) ai lobi di Ss 433 / W50 (in basso a destra). A destra: i lobi gamma di Ss 433 / W50 dopo la sottrazione dei raggi gamma da Mgro J1908 + 06. La regione semicircolare più chiara indica la parte del cielo utilizzata per sottrarre l’emissione gamma. Crediti: Nature

«Sia i quasar che i microquasar possono generare getti, cioè flussi di materia molto stretti e lunghi, emessi in entrambe le direzioni lungo l’asse di rotazione dell’oggetto. I getti sono creati da particelle accelerate a velocità non raramente vicine alla velocità della luce. In termini di velocità, i getti di Ss 433 non sono particolarmente impressionanti: raggiungono solo il 26 per cento della velocità della luce, ma ciò che rende questo oggetto molto importante è altro», dice Sabrina Casanova (Ifj Pan). «La maggior parte dei quasar osservati ha getti che, chi più e chi meno, sono diretti verso di noi. Questo orientamento rende difficile distinguerne i dettagli. Al contrario, Ss 433 è stato così gentile da dirigere i suoi getti non verso di noi, ma quasi perpendicolarmente alla linea di vista. Quindi, non solo abbiamo l’oggetto quasi a portata di mano, ma è anche orientato ottimamente per permetterci di osservarne i dettagli, come ad esempio le regioni da cui proviene la radiazione».

Nella nostra galassia, Ss 433 appartiene a un gruppo elitario di appena una dozzina di microquasar ed è uno dei pochi a emettere radiazioni gamma. Per 1017 giorni, questa radiazione è stata registrata presso l’osservatorio Hawc, che opera a un’altitudine di oltre 4.100 m sul livello del mare, sul pendio del vulcano messicano Sierra Negra. Il rilevatore consiste di 300 serbatoi d’acqua con fotomoltiplicatori sensibili a veloci lampi di luce noti come radiazione Cherenkov. Questa radiazione appare nel serbatoio quando una particella che si muove ad una velocità superiore a quella della luce nell’acqua, cade dentro l’acqua stessa. Alcuni dei lampi che si osservano provengono da particelle generate dalle collisioni ad alta energia di quanti di radiazione gamma con l’atmosfera terrestre. Un’appropriata analisi dei lampi nei serbatoi consente di identificare la ragione della loro esistenza. In questo modo, Hawc registra indirettamente i fotoni gamma con energie da 100 gigaelettronvolt (GeV) a 100 teraelettronvolt (TeV), ossia energie fino a un trilione di volte più grandi dell’energia dei fotoni di luce visibile e molte volte più grandi dell’energia dei protoni nell’acceleratore Lhc.

L’osservatorio Hawc (High-Altitude Water Cherenkov Observatory Gamma-Ray Observatory), sulle pendici del vulcano Sierra Negra, in Messico. Crediti: Hawc Observatory, J. Goodman

Durante le osservazioni di Ss 433, condotte al limite della capacità di risoluzione dell’Hawc, gli scienziati sono riusciti a registrare fotoni con energie superiori a 25 TeV, cioè da 3 a 10 volte più energetici di quelli riportati nell’intera storia degli studi di microquasar. Sorprendentemente, la parte più brillante del sistema, osservato nella sua emissione gamma ad alta energia, non era il cuore di Ss 433 bensì le regioni, su entrambi i lati della sorgente, dove i getti si infrangono contro la materia respinta dalla supernova.

«Questa non è l’ultima delle sorprese: i fotoni gamma con energie di 25 TeV devono essere prodotti da particelle di energia ancora più elevata. Potrebbero essere protoni, ma in tal caso dovrebbero avere energie enormi, a un livello di 250 TeV. Abbiamo dimostrato che questo meccanismo, anche se effettivamente funziona, non è in grado di generare la giusta quantità di radiazioni gamma nel caso di Ss 433», spiega Francisco Salesa Greus (Ifj Pan).

In un ulteriore lavoro, i dati di Hawc sono stati confrontati con le misurazioni di Ss 433 nei restanti intervalli spettrali da altri osservatori. Alla fine, è stato stabilito che i quanti di radiazione gamma ad alta energia – o almeno la maggior parte di essi – devono essere emessi dagli elettroni nel getto durante le collisioni con la radiazione di fondo a microonde a bassa energia che riempie l’intero cosmo. Il meccanismo di cui sopra, descritto per la prima volta nell’articolo di Nature, non avrebbe potuto essere rilevato nelle osservazioni di quasar con getti diretti verso la Terra. Ss 433 ha così contribuito a rivelare non solo i suoi segreti, ma anche i segreti delle lanterne più luminose dell’Universo.

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Fonte: Benvenuti nel mondo del microquasar Ss 433