La prima osservazione IXPE di una magnetar conferma la presenza di un campo magnetico ultra-forte e fa luce sulle proprietà fisiche della superficie della stella di neutroni

Il satellite IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) ha permesso di studiare la polarizzazione X emessa da sorgenti astrofisiche per la prima volta da più di 40 anni. La prima osservazione in assoluto della polarizzazione X di una magnetar – una classe di stelle di neutroni dotate dei campi magnetici più forti nell’intero universo – ha reso possibile testare lo stato fisico della superficie della stella e i processi che avvengono nella magnetosfera. Un team guidato da Roberto Taverna del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova ha osservato le proprietà di polarizzazione nei raggi X della magnetar 4U 0142+61, una stella di neutroni nella costellazione di Cassiopea, a circa 13 mila anni luce dalla terra, usando l’Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), un satellite realizzato con una collaborazione tra la NASA e l’ASI, e lanciato il 9 Dicembre dello scorso anno. I risultati sono stati pubblicati online il 3 Novembre dalla rivista Science .  Le stelle di neutroni sono oggetti compatti molto densi prodotti nel collasso di stelle massicce, con una massa iniziale almeno 10 volte quella del nostro Sole. Ciò che resta dopo l’esplosione in supernova ha una massa paragonabile a quella del Sole e campi magnetici molto intensi, miliardi di volte più forti di quello di una stella normale. Tra le stelle di neutroni, le magnetar sono le sorgenti più estreme: sono brillanti nei raggi X e mostrano sporadici periodi di intensa attività, con l’emissione di esplosioni e lampi in cui viene prodotta in un solo secondo un’energia maggiore di quella emessa dal nostro Sole in un intero anno. La polarizzazione è una proprietà della radiazione elettromagnetica che rivela come oscilla il campo elettrico associato all’onda durante la sua propagazione. Se il campo elettrico di più onde oscilla nella stessa direzione, la radiazione è detta polarizzata. Gli astrofisici ritengono che le magnetar siano alimentate da campi magnetici ultra-forti, tra cento e mille volte più forti delle stelle di neutroni “normali”. Secondo la teoria quantistica della radiazione, la luce che si propaga in una regione così fortemente magnetizzata può essere polarizzata soltanto in due direzioni, parallela e perpendicolare a quella del campo magnetico stesso. IXPE ha permesso di misurare proprietà quali il grado e l’angolo di polarizzazione della radiazione emessa dalla magnetar 4U 0142+61, la prima magnetar ad essere mai stata osservata in luce X polarizzata. Spiega Taverna: “Le proprietà di polarizzazione misurate sono risultate fortemente dipendenti dall’energia. Mentre il grado di polarizzazione è circa il 15% a bassa energia, scende fino ad annullarsi per poi risalire fino al 30% alle energie più alte, allo stesso tempo la direzione di polarizzazione varia esattamente di 90°. Questo è in accordo con le predizioni teoriche e conferma che le magnetar sono effettivamente dotate di campi magnetici ultra-forti”. “Il grado e la direzione della polarizzazione osservate recano l’impronta della struttura del campo magnetico e dello stato fisico della superficie della stella di neutroni, fornendo pertanto informazioni non altrimenti accessibili con altre tecniche osservative” commenta Roberto Turolla, del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova. “In particolare, il grado polarizzazione misurato alle energie più basse ci sta dicendo che il campo magnetico è così forte da far condensare l’atmosfera gassosa attorno alla stella in un solido o in un liquido, un fenomeno chiamato condensazione magnetica”. “Secondo i modelli teorici, la radiazione emessa da un condensato magnetico è relativamente poco polarizzata e in direzione parallela al campo magnetico” spiega Silvia Zane di MSSL-University College London. “Ci si attende, poi, che la luce venga diffusa dalle particelle cariche che fluiscono lungo le linee del campo magnetico della stella, con una polarizzazione, alle energie più alte, in direzione perpendicolare al campo”. “La variazione di 90° della direzione di polarizzazione osservata da IXPE è in pieno accordo con il nostro modello teorico, che include gli effetti di elettrodinamica quantistica. Tuttavia, stiamo anche esplorando modelli alternativi, per i quali mancano ancora simulazioni numeriche appropriate” commenta Jeremy Heyl dell’University of British Columbia di Vancouver. “I rivelatori di ultima generazione utilizzati da IXPE sono stati sviluppati in Italia, dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e dall’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Italiana, mentre gli specchi di cui è equipaggiato il satellite sono stati fabbricati al Marshall Space Flight Center della NASA” ha detto Luca Baldini, dell’Università di Pisa e INFN. “Oltre alla magnetar 4U 0142+61, IXPE sta osservando una vasta gamma di sorgenti X estreme (binarie X con buchi neri, nuclei galattici attivi, resti di supernova…)” ha aggiunto Fabio Muleri dell’INAF-IAPS di Roma. “IXPE ha aperto una nuova finestra sul nostro modo di studiare l’universo a raggi X e i risultati che stiamo raccogliendo in questi mesi sono estremamente promettenti”. Nello stesso numero della rivista Science, un secondo lavoro, guidato da Henric Krawczynski della Washington University in St. Louis, discute la misura IXPE di polarimetria nella binaria X Cygnus X-1. “Siamo estremamente curiosi di vedere che cosa ci riserveranno le future osservazioni di questo ed altri tipi di sorgenti con IXPE” ha concluso Taverna. Ulteriori informazioni e una copia dell’articolo sono disponibili sul Science press package al link