L'universo risplende di energia, che viene prodotta non solo da stelle, nebulose e brulicanti vivai galattici, ma anche dai getti di elettroni liberi originati da alcuni tra i più potenti oggetti cosmici: i nuclei galattici attivi noti come "blazar". Questa settimana, un team internazionale di astrofisici, utilizzando i dati dell'Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) della NASA, realizzato in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Italiana, ha pubblicato nuove scoperte sul blazar denominato Markarian 421, un nucleo galattico attivo e una potente sorgente di raggi gamma che si trova nella costellazione dell'Orsa Maggiore, all'incirca a una distanza di 400 milioni di anni luce dalla Terra.
“Markarian 421 è una vecchia conoscenza degli astronomi che scrutano l’universo estremo", ha detto l'astrofisica dell'Agenzia Spaziale Italiana Laura Di Gesu, prima autrice di questa pubblicazione. "Eravamo sicuri che questo blazar sarebbe stato un obiettivo interessante per IXPE, ma questa scoperta ha superato le nostre migliori aspettative. Ha, infatti, mostrato come la misura della polarizzazione dei raggi X arricchisca la nostra capacità di sondare la complessa geometria del campo magnetico e l'accelerazione delle particelle in diverse regioni dei getti relativistici. Un momento entusiasmante per gli studi sui getti astrofisici”.
Un blazar è un nucleo galattico attivo identificato grazie all’espulsione del suo potente getto di elettroni liberi nella direzione degli osservatori terrestri come telescopi terrestri e spaziali. La "fiammata" prodotta da questi getti è molto luminosa e, per questo, altamente rivelabile a causa dagli effetti dello spazio-tempo relativistico sulla luce del getto.
Nonostante decenni di studio, gli scienziati non hanno ancora compreso appieno i processi fisici che determinano la dinamica e l'emissione dei getti relativistici espulsi dai blazar. Ma la rivoluzionaria capacità di IXPE di misurare la polarimetria nei raggi X, ovvero la capacità di misurare la direzione media del campo elettrico delle onde luminose, offre agli astronomi una visione senza precedenti di questi oggetti, della loro geometria e dell'origine delle loro emissioni.
I modelli teorici, che tentano di spiegare le caratteristiche dei getti, raffigurano spesso una struttura di campo magnetico a elica a spirale, simile a quella della catena del DNA umano, ma IXPE ha
riscontrato una variabilità inaspettata durante tre osservazioni prolungate di Markarian 421 a maggio e giugno 2022.
"Ci aspettavamo che la direzione della polarizzazione potesse cambiare, ma pensavamo che le rotazioni di maggior entità sarebbero state rare, sulla base di precedenti osservazioni ottiche di molti blazar", ha affermato Herman Marshall, fisico ricercatore presso il Massachusetts Institute of Technology di Cambridge e coautore dello studio.
IXPE ha così effettuato tre osservazioni del blazar Markarian 421, rivelando un grado di polarizzazione costante. Sorprendentemente, il comportamento dell’angolo di polarizzazione non è stato lo stesso: mentre nella prima osservazione è rimasto costante, nella seconda la sua direzione ha letteralmente fatto un'inversione a U, ruotando di quasi 180 gradi in due giorni. Con sorpresa, la direzione di polarizzazione continuava a ruotare alla stessa velocità nella terza osservazione.
"Questa notevole scoperta suggerisce l'idea che il plasma responsabile dell'emissione nei raggi X segua la struttura elicoidale del campo magnetico all'interno dei getti, come suggerito da Alan Marscher e il suo team nel 2008 con osservazioni nelle onde radio" commenta Dawoon Kim, dottorando presso l'INAF di Roma e tra gli autori dello studio pubblicato su Nature Astronomy. "Le future osservazioni di Mrk 421 permetteranno di ottenere informazioni fisiche sul getto, come la dimensione spaziale della regione di collimazione”.
Le misurazioni ottiche, infrarosse e radio simultanee, inoltre, non hanno mostrato alcun cambiamento nella direzione della polarizzazione della luce, anche quando la direzione della polarizzazione dei raggi X ruotava velocemente. Tale rotazione della polarizzazione dà credito a un modello in cui uno shock si propaga lungo campi magnetici a spirale all'interno del getto. L' emissione di raggi X mappa la spirale mentre gli elettroni che producono la luce ottica sono in una zona diversa del getto, dove il campo magnetico non è tale da produrre una variazione della polarizzazione.
IXPE continuerà ad osservare Markarian 421 e altri blazar per saperne di più su queste fluttuazioni del getto e sulla frequenza con cui si verificano.
IXPE è una collaborazione tra la NASA e l'Agenzia Spaziale Italiana con partner e collaboratori scientifici in 12 paesi. IXPE è guidato dal Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, in Alabama. Ball Aerospace, con sede a Broomfield, in Colorado, gestisce le operazioni dei veicoli spaziali insieme al Laboratorio di fisica dell'atmosfera e dello spazio dell'Università del Colorado a Boulder. Le osservazioni di IXPE di Markarian 421 sono state integrate con i dati raccolti da osservatori partner negli Stati Uniti e in Francia, Giappone, Spagna e Creta.
Il nuovo studio, che dettaglia le scoperte del team IXPE su Markarian 421, è disponibile nell'ultima edizione di Nature Astronomy.
