Un astrofisico teorico propone la soluzione all'enigma del disegno “zebrato” della Nebulosa del Granchio
Crab Nebula.
Un astrofisico teorico dell'Università del Kansas potrebbe aver risolto un mistero vecchio di quasi due decenni sulle origini di un insolito motivo “a zebra” visto negli impulsi radio ad alta frequenza della Nebulosa del Granchio.
Le sue scoperte sono state appena pubblicate su Physical Review Letters.
La Nebulosa del Granchio presenta al suo centro una stella di neutroni che si è trasformata in una pulsar larga 12 miglia che fa girare la radiazione elettromagnetica nel cosmo.
“L'emissione, che assomiglia al raggio di un faro, passa ripetutamente davanti alla Terra mentre la stella ruota”, ha dichiarato l'autore principale Mikhail Medvedev, professore di fisica e astronomia alla KU.
“La osserviamo come un'emissione pulsata, di solito con uno o due impulsi per rotazione. La pulsar specifica di cui parlo è nota come Pulsar del Granchio, situata al centro della Nebulosa del Granchio a 6.000 anni luce da noi”.
La Nebulosa del Granchio è il residuo di una supernova apparsa nel 1054.
“I documenti storici, compresi i resoconti cinesi, descrivono una stella insolitamente luminosa apparsa nel cielo”, ha detto il ricercatore della KU.
Ma a differenza di qualsiasi altra pulsar conosciuta, Medvedev ha detto che la pulsar del Granchio presenta un modello a zebra - un'insolita spaziatura delle bande nello spettro elettromagnetico proporzionale alle frequenze delle bande - e altre strane caratteristiche come l'alta polarizzazione e la stabilità.
“È molto luminosa, praticamente in tutte le bande d'onda”, ha detto. “È l'unico oggetto di cui siamo a conoscenza che produce lo schema a zebra, e appare solo in una singola componente di emissione della pulsar del Granchio”.
“L'impulso principale è un impulso a banda larga, tipico della maggior parte delle pulsar, con altre componenti a banda larga comuni alle stelle di neutroni. Tuttavia, l'interpulsazione ad alta frequenza è unica, con frequenze comprese tra 5 e 30 gigahertz, simili a quelle di un forno a microonde”.
Da quando questo schema è stato scoperto in un articolo del 2007, il ricercatore della KU ha detto che si è rivelato “sconcertante” per gli investigatori.
Medvedev ha modellato la diffrazione delle onde da una regione circolare riflettente con indice di rifrazione variabile radialmente all'esterno di essa per comprendere meglio il motivo a zebra della Nebulosa del Granchio.
“I ricercatori hanno proposto vari meccanismi di emissione, ma nessuno ha spiegato in modo convincente gli schemi osservati”, ha detto.
Utilizzando i dati della pulsar del Granchio, Medvedev ha stabilito un metodo che utilizza l'ottica ondulatoria per misurare la densità del plasma della pulsar - il “gas” di particelle cariche (elettroni e positroni) - utilizzando un modello di frangia trovato negli impulsi elettromagnetici.
“Se si ha uno schermo e un'onda elettromagnetica passa, l'onda non si propaga direttamente attraverso di esso”, ha detto Medvedev.
“Nell'ottica geometrica, le ombre proiettate dagli ostacoli si estenderebbero all'infinito: se si è nell'ombra, non c'è luce; al di fuori di essa, si vede la luce. Ma l'ottica ondulatoria introduce un comportamento diverso: le onde si piegano intorno agli ostacoli e interferiscono tra loro, creando una sequenza di frange chiare e fioche dovute all'interferenza costruttiva e distruttiva”.
Il ben noto fenomeno delle frange è causato da un'interferenza costruttiva coerente, ma ha caratteristiche diverse quando le onde radiosi propagano attorno a una stella di neutroni.
“Un tipico schema di diffrazione produrrebbe frange uniformemente distanziate se avessimo solo una stella di neutroni come schermo”, ha detto il ricercatore della KU. Ma in questo caso, il campo magnetico della stella di neutroni genera particelle cariche che costituiscono un plasma denso, che varia con la distanza dalla stella”.
“Quando un'onda radio si propaga nel plasma, passa attraverso aree diluite ma viene riflessa dal plasma denso. Questa riflessione varia in base alla frequenza: Le basse frequenze riflettono a grandi raggi, proiettando un'ombra più grande, mentre le alte frequenze creano ombre più piccole, con conseguente diversa spaziatura delle frange”.
In questo modo, Medvedev ha determinato che la materia plasmatica della pulsar del Granchio causa la diffrazione degli impulsi elettromagnetici responsabili del singolare motivo a zebra della stella di neutroni.
“Questo modello è il primo in grado di misurare questi parametri”, ha detto Medvedev. “Analizzando le frange, possiamo dedurre la densità e la distribuzione del plasma nella magnetosfera. È incredibile perché queste osservazioni ci permettono di convertire le misure delle frange in una distribuzione della densità del plasma, creando essenzialmente un'immagine o eseguendo una tomografia della magnetosfera della stella di neutroni”.
In seguito, Medvedev ha detto che la sua teoria potrà essere testata con la raccolta di altri dati dalla pulsar del Granchio e messa a punto tenendo conto dei suoi potenti e strani effetti gravitazionali e di polarizzazione. La nuova comprensione del modo in cui la materia plasmatica altera il segnale di una pulsar cambierà il modo in cui gli astrofisici comprendono le altre pulsar.
“La pulsar del Granchio è in qualche modo unica: è relativamente giovane per gli standard astronomici, solo un migliaio di anni, e altamente energetica”, ha detto. Ma non è la sola: conosciamo centinaia di pulsar, di cui oltre una dozzina sono altrettanto giovani”.
“Anche le pulsar binarie conosciute, che sono state utilizzate per verificare la teoria della relatività generale di Einstein, possono essere esplorate con il metodo proposto. Questa ricerca può effettivamente ampliare la nostra comprensione e le tecniche di osservazione delle pulsar, in particolare di quelle giovani ed energetiche”.