Per la prima volta gli astronomi hanno misurato e mappato la polarizzazione dei raggi X emessi dai resti di una stella esplosa, chiamata Cassiopea A. Lo studio, ottenuto grazie alle osservazioni di IXPE, missione congiunta NASA-ASI, permetterà di spiegare il ruolo dei campi magnetici nella produzione della radiazione di alta energia nei resti di supernovae

19 Ottobre 2022

Il telescopio spaziale IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) getta nuova luce sulle proprietà dei resti di supernova di recente formazione che accelerano le particelle a velocità prossime a quelle della luce. Lo studioX-ray polarization detection of Cassiopeia A with IXPE”, pubblicato sulla Rivista The Astrophysical Journal lo scorso 12 ottobre, è basato sulle osservazioni di IXPE relative a Cassiopea A (Cas A), una nebulosa con una forma “a guscio” e una potente sorgente di onde radio e di raggi X, ciò che resta di una stella di grande massa esplosa circa 11 mila anni fa. Lo studio di Jacco Vink, dell’Università di Amsterdam, primo autore dell’articolo che presenta questi risultati, ha visto la fondamentale partecipazione di ricercatrici e ricercatori dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), delle Università di Pisa, Firenze, Torino, Roma Tre, Roma Tor Vergata e Padova.

Tutte le onde elettromagnetiche - dalle onde radio ai raggi gamma, compresa la luce visibile - possono essere polarizzate, ovvero possono oscillare lungo un preciso piano mentre si propagano. I sensori di IXPE sono stati progettati per misurare con grande accuratezza la polarizzazione dei raggi X, che sono molto più energetici della radiazione luminosa e invisibili all’occhio umano.

 

Lanciata nello spazio il 9 dicembre 2021, IXPE è una missione frutto della collaborazione tra la NASA e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) interamente dedicata allo studio dell’Universo attraverso la polarizzazione dei raggi X. Utilizza tre telescopi installati a bordo con rivelatori finanziati dall’ASI e sviluppati da un team di scienziati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), con il supporto industriale di OHB-Italia. Le prime osservazioni scientifiche di IXPE si sono concentrate su Cas A, che è il resto di una esplosione stellare la cui luce dovrebbe aver raggiunto la Terra circa 350 anni fa. Gli strumenti del telescopio spaziale hanno osservato accuratamente per oltre un mese questa sorgente, con l’obiettivo dicomprendere l’origine dei raggi X emessi dai vari filamenti della nebulosa attraverso gli urti del materiale espulso con il gas e le polveri che circondavano la stella progenitrice.

 

Una stella di grande massa alla fine del suo ciclo evolutivo collassa. Parte della sua massa va a formare una stella di neutroni o un buco nero, mentre un’altra parte viene “sparata” verso lo spazio circostante con estrema violenza investendo il materiale già presente attorno alla stella originaria. Il violento scontro che si viene a creare porta la materia a temperature altissime, producendo radiazione di alta energia e, probabilmente, accelerando grandi quantità di particelle, i cosiddetti raggi cosmici.

 

Studiando la polarizzazione di questa luce, gli scienziati possono risalire a quel che accade dentro Cas A su scale molto piccole – con un livello di dettaglio che sarebbe difficile o impossibile da ottenere in altri modi. La direzione della polarizzazione ci indica la direzione dei campi magnetici che pervadono il resto di supernova e il grado di polarizzazione ci dice quanto questi siano ordinati. Tuttavia, se i campi magnetici in prossimità dei fronti d’urto sono molto ingarbugliati, la radiazione osservata rifletterà la loro origine caotica, risultando meno polarizzata.

Sono stati inizialmente i radiotelescopi a suggerire l’origine caotica dei campi magnetici di Cas A, dopo aver osservato accuratamente l’intero resto di supernova e rivelato un grado di polarizzazione particolarmente basso, il 5%. Questi hanno anche permesso di scoprire che il campo magnetico di Cas A è distribuito radialmente dal centro ai bordi esterni del resto di supernova, ovvero come i raggi di una “ruota”.

Prima di avere a disposizione i dati raccolti da IXPE, gli scienziati ritenevano che la polarizzazione dei raggi X emessi da Cas A fosse, diversamente dal radio, prodotta da campi magnetici diretti tangenzialmente alla “ruota”.

Sorprendentemente invece, le osservazioni di IXPE mostrano che i campi magnetici associati ai raggi X, prodotti in prossimità dei fronti d’urto, tendono a mantenere una disposizione radiale, con un grado di polarizzazione confrontabile con le osservazioni radio. Per i ricercatori questa proprietà è legata al fatto che anche i raggi X vengono prodotti in regioni molto turbolente, dove i campi magnetici sono fortemente mescolati.

“Ogni missione spaziale scientifica è di per sé un miglioramento rispetto a quanto costruito precedentemente e porta con sé un potenziale di scoperta. - commenta Elisabetta Cavazzuti responsabile del programma IXPE per ASI - Con IXPE però siamo oltre. Ogni giorno osservare l’Universo con i suoi occhi è una sorpresa, perché’ non è stato mai lanciato un telescopio nemmeno simile a questo. Qualunque cosa scopriamo sarà una novità che potrà anche mettere in discussione le nostre teorie e questo è molto eccitante e stimolante. La missione è stata pensata per tanti anni ma in fine realizzata in pochissimo tempo mettendo a frutto la sinergia del team scientifico e dell’industria italiani e americani. È il risultato di una collaborazione internazionale che ha saputo mettere a fattor comune competenze e risorse con la consapevolezza che i dati di IXPE sarebbero stati una novità assoluta”.

“Questo studio incarna tutto ciò che IXPE porta di nuovo all’Astrofisica” dice Riccardo Ferrazzoli, coautore dello studio e ricercatore presso l’Istituto Nazionale di Astrofisica a Roma. “Non solo per la prima volta otteniamo informazioni sulla polarizzazione dei raggi X, ma queste informazioni sono

spazialmente risolte: conosciamo cioè come queste cambiano in varie regioni della supernova. Ciò è reso possibile dalla combinazione tra le ottiche dei telescopi realizzate negli Stati Uniti e i rivelatori sensibili alla polarizzazione realizzati in Italia.”

Aggiunge Luca Baldini dell’INFN di Pisa e Co-PI italiano di IXPE "Questo lavoro si basa in modo cruciale sulla capacità unica dei Gas Pixel Detector, ossia dei rivelatori che il team italiano ha sviluppato con tenacia e determinazione nel corso degli ultimi vent'anni, di misurare simultaneamente tutti i diversi tipi di informazione trasportata dalla radiazione elettromagnetica e, in particolare, la direzione d'arrivo, l'energia e, per la prima volta, la polarizzazione."

“Essendo stato il primo obiettivo della campagna osservativa di IXPE, - aggiunge Riccardo Ferrazzoli - Cas A ha rappresentato il “banco di prova” per tutte le tecniche e strumenti di analisi dati che il team ha sviluppato negli ultimi anni, e tutti gli occhi della collaborazione sono stati puntati su di noi. Possiamo dire adesso di aver avuto successo. I dai raccolti da IXPE in otto mesi dimostrano che nei 7 anni precedenti i team hanno lavorato bene”.

"Il risultato non sarebbe stato possibile senza una analisi sofisticata dei dati. Infatti, la polarizzazione è emersa sommando le diverse parti di una regione circolare ed assumendo che la polarizzazione sia sempre tangente" ricorda Giorgio Matt dell’Università di Roma Tre.

“IXPE è il primo polarimetro spaziale ad immagine.” conclude Paolo Soffitta ricercatore INAF e Principal Investigator Italiano di IXPE “Questa proprietà ci permette di ridurre i segnali di fondo e ottenere vere e proprie immagini dell’emissione X proveniente dalle supernovae a guscio. Durante il primo anno ne sono state osservate tre, tra cui Cas A. Stiamo ottenendo risultati molto importanti dalla analisi di ognuna di queste”.

IXPE è una collaborazione tra la NASA e l'Agenzia Spaziale Italiana con i partner e collaboratori scientifici in 12 Paesi. Ball Aerospace, con sede a Broomfield, Colorado, gestisce le operazioni dei veicoli spaziali assieme al Laboratory for Atmospheric and Space Sciences dell’Università del Colorado, che opera IXPE per il Marshal Space Flight Center della NASA. L’ Italia, con il suo rivelatore sensibile alla polarizzazione, insieme al suo sistema di calibrazione di bordo ed al computer di controllo, partecipa con l’INAF, l’INFN, Roma Tre e con OHB-Italia come partner industriale. Lo Space Science Data Center dell’ASI ha fornito un determinante contributo al software di riduzione dei dati da volo.

 Crediti foto: Composite images of the Cas A supernova remnant, a structure resulting from the explosion of a star in the Cassiopeia constellation. The blues represent data from the Chandra Observatory, the turquoise is from NASA's Imaging X-ray Polarimetry Explorer (called IXPE), and the gold is courtesy of the Hubble Telescope.

Credits: X-ray: Chandra: NASA/CXC/SAO, IXPE: NASA/MSFC/J. Vink et al.; Optical: NASA/STScI

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