Una strana coppia : Una stella massiccia e una nana bianca riprese in un lampo di luce a raggi X
Illustrazione di una nana bianca, il residuo morto di una stella come il nostro Sole, con un nucleo cristallizzato e solido.
Il satellite Einstein Probe ha catturato il lampo dei raggi X di una coppia celeste molto elusiva. La scoperta apre un nuovo modo di esplorare come le stelle massicce interagiscono ed evolvono con le proprie partner, confermando il potere unico della missione di scoprire fugaci sorgenti di raggi X nel cielo.
Il lavoro è pubblicato sul server di preprint arXiv e di prossima pubblicazione su The Astrophysical Journal Letters.
La strana coppia celeste è composta da una stella grande e calda, oltre 10 volte più grande del nostro Sole, e da una piccola nana bianca compatta, con una massa simile al nostro Sole. Finora sono stati trovati solo pochi sistemi di questo tipo. Questa è la prima volta che gli scienziati hanno potuto seguire la luce dei raggi X proveniente da una coppia così curiosa, dall'improvviso brillamento iniziale fino al suo spegnimento.
Il 27 maggio 2024, il Wide-field X-ray Telescope (WXT) della Sonda Einstein ha individuato i raggi X provenienti da una galassia vicina, la Piccola Nube di Magellano (SMC). Per scoprire l'origine di questo nuovo faro celeste, denominato EP J0052, gli scienziati hanno puntato il Follow-up X-ray Telescope di Einstein Probe in quella direzione.
Le osservazioni di WXT hanno fatto sì che anche i telescopi a raggi X Swift e NICER della NASA puntassero verso l'oggetto appena scoperto. XMM-Newton dell'ESA ha seguito le osservazioni 18 giorni dopo l'innesco.
“Stavamo inseguendo sorgenti fugaci, quando ci siamo imbattuti in questa nuova macchia di luce a raggi X nella SMC. Ci siamo resi conto che stavamo osservando qualcosa di insolito, che solo la Sonda Einstein poteva cogliere”, spiega Alessio Marino, ricercatore post-dottorato presso l'Istituto di Scienze Spaziali (ICE-CSIC), in Spagna, e autore principale del nuovo studio.
“Questo perché, tra gli attuali telescopi che monitorano il cielo dei raggi X, WXT è l'unico in grado di vedere i raggi X di energia inferiore con una sensibilità sufficiente a catturare la nuova sorgente”.
Inizialmente, gli scienziati hanno pensato che EP J0052 potesse essere un tipo ben noto di sistema binario che brilla nei raggi X. Queste coppie consistono in una stella di neutroni che divora materiale da una stella massiccia compagna. Tuttavia, nei dati c'era qualcosa che raccontava una storia diversa...
Una rara scoperta
Grazie alla sonda Einstein, che ha catturato la nuova sorgente fin dal suo lampo iniziale, gli scienziati hanno potuto analizzare lotti di dati provenienti da strumenti diversi. Hanno esaminato la variazione della luce in una gamma di lunghezze d'onda dei raggi X, nell'arco di sei giorni, e hanno individuato alcuni degli elementi presenti nel materiale esploso, come azoto, ossigeno e neon. L'analisi ha fornito indizi cruciali.
“Abbiamo capito subito che si trattava di una rara scoperta di una coppia celeste molto elusiva”, spiega Alessio. “L'insolita coppia è composta da una stella massiccia che chiamiamo stella Be, con un peso 12 volte superiore a quello del Sole, e da un 'cadavere' stellare noto come nana bianca, un oggetto compatto e iperdenso, con una massa simile a quella della nostra stella”.
La Sonda Einstein ha catturato il lampo dei raggi X di una coppia celeste molto elusiva, composta da una stella grande e calda, più di 10 volte più grande del nostro sole, e da una piccola nana bianca compatta, con una massa simile alla nostra stella. Gli scienziati pensano che la coppia sia nata insieme, come una coppia binaria meglio assortita composta da due stelle piuttosto grandi, sei e otto volte più massicce del nostro sole. La stella più grande ha esaurito prima il suo combustibile nucleare e ha iniziato a espandersi, cedendo materia alla sua compagna. Dapprima il gas dei suoi strati esterni gonfiati è stato attirato dalla compagna; poi i gusci esterni rimanenti sono stati espulsi, formando un involucro attorno alle due stelle, che in seguito è diventato un disco e infine si è dissolto. Alla fine di questo dramma, la stella compagna era cresciuta fino a raggiungere una massa 12 volte superiore a quella del Sole, mentre il nucleo dell'altra era collassato fino a diventare una nana bianca di poco più di una massa solare. Ora tocca alla nana bianca rubare e ingoiare materiale dagli strati esterni della stella Be.
Le due stelle orbitano strettamente l'una intorno all'altra e l'intenso campo gravitazionale della nana bianca attira materia dalla sua compagna. Man mano che sempre più materiale (soprattutto idrogeno) piove sull'oggetto compatto, la sua forte gravità lo comprime, fino a quando si innesca un'esplosione nucleare spontanea. Ciò crea un lampo di luce brillante in un'ampia gamma di lunghezze d'onda, dalla luce visibile ai raggi UV e X.
A prima vista, l'esistenza di questa coppia è sconcertante. Le stelle massicce di tipo Be bruciano velocemente la loro riserva di combustibile nucleare. La loro vita è feroce e breve, con una durata di circa 20 milioni di anni. La sua compagna è (di solito) il residuo collassato di una stella simile al nostro Sole che, isolata, vivrebbe per diversi miliardi di anni.
Poiché le stelle binarie si formano tipicamente insieme, come può la stella che si suppone abbia vita breve brillare ancora, mentre quella che si presume longeva è già morta?
C'è una spiegazione.
Una storia di due stelle
Gli scienziati ritengono che la coppia sia nata insieme, come una coppia binaria meglio assortita composta da due stelle piuttosto grandi, sei e otto volte più massicce del nostro sole.
La stella più grande ha esaurito prima il suo combustibile nucleare e ha iniziato a espandersi, cedendo materia alla sua compagna. Dapprima il gas dei suoi strati esterni gonfiati è stato attirato dalla compagna; poi i gusci esterni rimanenti sono stati espulsi, formando un involucro attorno alle due stelle, che in seguito è diventato un disco e infine si è dissolto.
Alla fine di questo dramma, la stella compagna era cresciuta fino a raggiungere una massa 12 volte superiore a quella del Sole, mentre il nucleo dell'altra era collassato fino a diventare una nana bianca di poco più di una massa solare. Ora tocca alla nana bianca rubare e divorare materiale dagli strati esterni della stella Be.
“Questo studio ci fornisce nuove conoscenze su una fase raramente osservata dell'evoluzione stellare, che è il risultato di un complesso scambio di materiale che deve essere avvenuto tra le due stelle”, osserva Ashley Chrimes, ricercatore e astronomo a raggi X dell'ESA. “È affascinante vedere come una coppia di stelle massicce in interazione possa produrre un risultato così intrigante”.
L'osservazione successiva della missione XMM-Newton dell'ESA in direzione di EP J0052, 18 giorni dopo il primo sguardo della Sonda Einstein, non ha più visto il segnale. Ciò pone un limite alla durata del brillamento, dimostrando che è stato relativamente breve.
La durata del breve brillamento e la presenza di neon e ossigeno fanno pensare a un tipo di nana bianca piuttosto pesante, probabilmente il 20% più massiccia del Sole. La sua massa è vicina al livello, chiamato limite di Chandrasekhar, oltre il quale la stella continuerebbe a implodere, diventando una stella di neutroni ancora più densa, o esplodendo come supernova.
Una osservazione che cambia le carte in tavola
“Le esplosioni di una coppia di nane bianche Be sono state straordinariamente difficili da catturare, poiché sono osservate al meglio con i raggi X a bassa energia. L'avvento di Einstein Probe offre la possibilità unica di individuare queste fugaci sorgenti e di mettere alla prova la nostra comprensione di come si evolvono le stelle massicce”, osserva Erik Kuulkers, Project Scientist dell'ESA per Einstein Probe.
“Questa scoperta dimostra le capacità rivoluzionarie di questa missione”.
Maggiori informazioni: A. Marino et al, “Einstein Probe discovery of EP J005245.1-722843: a rare BeWD binary in the Small Magellanic Cloud?”, arXiv (2024).