Le stelle di neutroni sono uno degli oggetti astronomici più affascinanti nell'universo conosciuto. Oltre ad essere il tipo più denso di stelle (con la possibile eccezione delle stelle di quark), sono state anche conosciute per formare coppie binarie con stelle massicce. Ad oggi, solo 39 di questi sistemi sono stati scoperti e ne sono stati rilevati ancora meno che erano composti da una stella massiccia e da una stella di neutroni a raggi gamma ad altissima energia (VHE).
Ad oggi, solo due di questi sistemi sono stati trovati, il secondo dei quali è stato scoperto pochi anni fa da un team di astronomi internazionali noto come collaborazione VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System). Oltre ad essere una scoperta rara, la scoperta è stata anche molto fortunata, poiché il comportamento insolito che hanno osservato provenire da questo sistema non si ripeterà fino al 2067.
In poche parole, le stelle di neutroni sono i resti densi di una stella che è esplosa in una supernova, lasciando dietro di sé un oggetto estremamente denso e compatto che ruota rapidamente. Questo fa sì che una stella di neutroni generi potenti campi magnetici che focalizzano la sua radiazione in un raggio stretto, che appare come un faro quando viene visto dal bordo. Quando questi raggi si intersecano con la Terra, gli astronomi possono rilevare questi impulsi alla radio e ad altre lunghezze d'onda.
Dal momento che è comune per stelle massicce per coppie binarie di forma, non sorprende che alcune pulsar abbiano un compagno orbitante sopravvissuto al suo partner che diventa supernova. È anche comune per questi sistemi avere dischi di detriti, che sono influenzati dalla pulsar a rotazione rapida. Quando le radiazioni si scontrano con i detriti, creano particelle cariche che possono essere accelerate fino a quasi la velocità della luce, provocando raggi gamma di energia molto elevata (VHE).
Utilizzando i quattro telescopi da 12 m dell'Osservatorio Whipple di Fred Lawrence, che è gestito dall'Osservatorio Astrofisico Smithsonian (SAO), la collaborazione VERITAS ha iniziato a tracciare quello che si pensava fosse un sistema pulsar a raggi gamma VHE nel 2016. Questa fonte si trova in un enorme vivaio stellare a circa 5000 anni luce dalla Terra in direzione della costellazione del Cigno.
Con l'aiuto di un team di astronomi che hanno usato i due telescopi Major Atmosferici Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) da 17 m (situati presso l'Osservatorio El Roque de Los Muchachos nelle Isole Canarie), il team ha scoperto che la pulsar aveva un enorme compagno stellare che lo orbitava ogni 50 anni in un'orbita estremamente ellittica. Le due squadre hanno anche calcolato che le stelle sarebbero state nei punti più vicini nella loro orbita entro il 13 novembre 2017 e non sarebbero state di nuovo fino al 2067.
I direttori della collaborazione VERITAS avevano precedentemente aderito alla partecipazione con altri astronomi per monitorare questo sistema prima, durante e dopo il suo approccio più vicino. Usando i quattro telescopi dell'Osservatorio Whipple di Fred Lawrence, hanno rilevato i raggi gamma dai lampi estremamente brevi delle radiazioni di Cherenkov che compaiono nei cieli quando vengono assorbiti dall'atmosfera terrestre.
Le prime osservazioni, condotte nel 2016, hanno rivelato deboli emissioni di raggi gamma, coerenti con il fatto che il sistema binario è incorporato in un vivaio stellare. "Questa emissione costante e di basso livello è molto probabilmente dovuta a una nebulosa che viene continuamente alimentata dalla pulsar", ha affermato Ralph Bird, ricercatore post-dottorato presso l'Università della California di Los Angeles, che ha svolto un ruolo di primo piano nella campagna VERITAS.
Gli scienziati hanno quindi atteso che le stelle raggiungessero il punto più vicino nella loro orbita per vedere se ci sarebbero stati cambiamenti. Secondo Alicia López Oramas, ricercatrice presso MAGIC presso l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), e uno dei corrispondenti autori dello studio, "un sistema così unico avrebbe dovuto emettere raggi gamma ad altissima energia durante questo approccio e questa opportunità non poteva essere persa. "
A settembre, le cose hanno iniziato a cambiare drasticamente. Come Tyler Williamson, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università del Delaware e un altro collaboratore chiave di VERITAS, ha indicato:
“Il flusso di raggi gamma che abbiamo osservato a settembre era il doppio del valore precedente. Durante l'approccio più vicino tra la stella e la pulsar, a novembre 2017, il flusso è aumentato di 10 volte in una sola notte. "
Al fine di spiegare questo comportamento, il team ha abbinato modelli teorici basati sulle ultime teorie su pulsar, dischi di detriti e le emissioni risultanti alle loro osservazioni. Ciò si è rivelato senza successo, il che li ha portati a concludere che sono necessarie revisioni significative, tra cui una migliore informazione sull'incontro tra le due stelle.
In breve, sono necessarie ulteriori osservazioni di questa coppia binaria prima di poter effettuare una modellazione corretta. Ciò non sorprende poiché questo sistema è solo il secondo caso di un sistema pulsar binario che mostra un'emissione di raggi gamma VHE. Tuttavia, le osservazioni raccolte dai due team erano preziose, dato che tutte le precedenti spiegazioni sul comportamento dei binari pulsar a raggi gamma VHE erano speculazioni.
Nei prossimi anni, gli scienziati hanno in programma di continuare a osservare questa e altre pulsar per monitorare il comportamento esotico proveniente da questo tipo estremo di oggetti. E se è possibile sviluppare modelli adeguati per questo particolare sistema, sarà di immenso valore per gli scienziati, offrendo informazioni sulla nascita e l'evoluzione di oggetti compatti, che vanno dalle pulsar ai sistemi binari di buco nero.
Come ha dichiarato Wystan Benbow, un astrofisico del CfA, "continuare a investire nel funzionamento di strutture uniche e all'avanguardia come VERITAS è fondamentale e garantirà ulteriori opportunità per realizzare la scienza trasformativa".
La collaborazione VERITAS è un gruppo di 80 scienziati di 20 istituzioni con sede negli Stati Uniti, in Canada, Germania e Irlanda. Lo studio che descrive i loro risultati è apparso di recente nel Lettere astrofisiche del diario. L'Osservatorio Whipple di Fred Lawrence è gestito dall'Osservatorio Astrofisico di Smithsonian (SAO).
