La strana forma del telescopio a raggi X ha consentito di utilizzare la luce diffusa, che spesso è causa di disturbo, per studiare altri oggetti cosmici.

Per quasi 10 anni, l’osservatorio spaziale a raggi X NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) della NASA ha studiato gli oggetti a più alta energia dell’universo, come stelle morte in collisione tra loro ed enormi buchi neri che si nutrono di gas caldo. Gli scienziati hanno però dovuto fare sempre i conti con la luce diffusa che filtrava attraverso i lati dell’osservatorio, che interferisce con le osservazioni proprio come il rumore esterno può disturbare una telefonata. Ma ora i membri del team hanno trovato il modo di utilizzare quella luce per studiare gli oggetti presenti nella visione periferica di NuSTAR mentre vengono eseguite le normali osservazioni.

Questo nuovo sviluppo ha il potenziale per moltiplicare le informazioni fornite da NuSTAR: un nuovo articolo scientifico sull’Astrophysical Journal ha descritto il primo utilizzo delle osservazioni a luce diffusa di NuSTAR su un oggetto cosmico, in questo caso una stella di neutroni.

Stelle di neutroni
Rappresentazione artistica di una collisione tra stelle di neutroni. Credit: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

L’osservazione di una stella di neutroni

Pepite di materiale rimasto dopo il collasso di una stella, le stelle di neutroni sono alcuni degli oggetti più densi dell’universo, seconde solo ai buchi neri. I loro potenti campi magnetici intrappolano le particelle di gas e le incanalano verso la superficie della stella di neutroni. Quando le particelle vengono accelerate ed energizzate, rilasciano raggi X ad alta energia che NuSTAR può rilevare.

Il nuovo studio descrive un sistema chiamato SMC X-1, che consiste in una stella di neutroni in orbita attorno a una stella vivente presente nella Piccola Nubi di Magellano (SMC), una delle due piccole galassie in orbita attorno alla Via Lattea. La luminosità dell’emissione di raggi X di SMC X-1 sembra variare notevolmente se osservata dai telescopi, ma decenni di osservazioni dirette da parte di NuSTAR e altri telescopi hanno rivelato uno schema in queste fluttuazioni.
Gli scienziati hanno individuato diversi motivi per cui SMC X-1 cambia di luminosità quando studiato dai telescopi a raggi X. Ad esempio, la luminosità dei raggi X diminuisce quando la stella di neutroni passa dietro la stella vivente durante ogni orbita. Secondo il documento, i dati sulla luce diffusa nella visione periferica sono stati abbastanza sensibili da cogliere alcuni di quei cambiamenti che erano già stati confermati attraverso osservazioni dirette. Si potrebbe quindi pensare di utilizzare i dati della luce diffusa per rilevare i cambiamenti di luminosità di tutti quegli oggetti che si trovano nel campo periferico di osservazione.

Forma e funzione

Il nuovo utilizzo è stato possibile grazie alla forma di NuSTAR, che è simile a un manubrio o a un osso di cane: ha due componenti ingombranti alle due estremità di una struttura stretta, lunga 10 metri chiamata Deployable Mast (o albero dispiegabile).
I ricercatori puntano una delle estremità – che contiene l’ottica o l’hardware che raccoglie i raggi X – verso l’oggetto che vogliono studiare. La luce viaggia lungo l’albero fino ai rivelatori, situati all’altra estremità del veicolo spaziale, poichè la distanza tra i due è necessaria per focalizzare la luce.

Ma la luce diffusa raggiunge anche i rivelatori entrando attraverso i lati dell’albero, bypassando dunque l’ottica e appare nel campo visivo di NuSTAR insieme alla luce proveniente da qualsiasi oggetto che il telescopio osserva direttamente. Ed è spesso abbastanza facile da identificare a occhio: forma un cerchio di debole luce che emerge dai lati dell’immagine.

NuSTAR
Rappresentazione artistica del telescopio NuSTAR. Credit: NASA/JPL-Caltech

Un gruppo di membri del team NuSTAR ha trascorso gli ultimi anni a separare questa luce periferica dalle varie osservazioni NuSTAR. Dopo aver identificato sorgenti di raggi X luminose e note alla periferia di ogni osservazione, hanno utilizzato modelli computerizzati per prevedere quanta luce diffusa doveva apparire in base all’oggetto luminoso nelle vicinanze. Hanno anche esaminato quasi tutte le osservazioni di NuSTAR per confermare il segno rivelatore di luce diffusa. Il team ha creato un catalogo di circa 80 oggetti per i quali NuSTAR aveva raccolto osservazioni di luce diffusa, chiamando la collezione “StrayCats”.

“Immagina di essere seduto in un cinema tranquillo, a guardare un film drammatico e ad ascoltare le esplosioni nel film d’azione che viene riprodotto nella porta accanto”, ha affermato Brian Grefenstette, ricercatore senior al Caltech e membro del team NuSTAR che guida il lavoro sugli StrayCats. “In passato, ecco com’era la luce diffusa: una distrazione da ciò su cui stavamo cercando di concentrarci. Ora abbiamo gli strumenti per trasformare quel rumore extra in dati utili, aprendo un modo completamente nuovo di utilizzare NuSTAR per studiare l’universo”.

I dati recuperati dalla luce diffusa non possono ovviamente sostituire le osservazioni dirette di NuSTAR, molti oggetti osservati direttamente sono troppo deboli per apparire nel catalogo StrayCats. Ma nei dati sono stati trovati casi di rapidi schiarimenti da parte oggetti periferici che potrebbero rappresentare eventi improvvisi, come esplosioni sulla superficie delle stelle di neutroni. Osservare la frequenza e l’intensità dei cambiamenti di luminosità di una stella di neutroni può aiutare gli scienziati a decifrare cosa sta succedendo a quegli oggetti.

Se l’obbiettivo è quello di cercare uno schema nel comportamento a lungo termine o nella luminosità di una sorgente di raggi X, le osservazioni con luce diffusa potrebbero essere un ottimo modo per effettuare un controllo periodico e stabilire una linea di base. Potrebbero anche rilevare comportamenti strani in questi oggetti quando non ce li aspettiamo o quando normalmente non saremmo in grado di puntare NuSTAR direttamente su di essi.
Le osservazioni della luce diffusa non sostituiranno le osservazioni dirette, ma una maggiore quantità di dati raccolta è sempre molto utile.

Riferimenti:

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