La curiosità del mese a cura di Tomaso Belloni

Nella mia curiosità di aprile (“Osservare i raggi X su diversi piani“) avevamo parlato di polarizzazione dei raggi X e del satellite IXPE che era ormai pronto per fornire i primi risultati.

Non siamo stati delusi: dopo il periodo di calibrazione e le prime osservazioni, dopo un’analisi accurata per estrarre informazioni solide e credibili, i primi risultati sono arrivati, relativi a tre sorgenti X di tipo piuttosto diverso. Come abbiamo detto, sono tutti risultati nuovi visto che le ultime osservazioni di polarizzazione X risalgono a decenni fa.

La prima sorgente è una magnetar, una stella di neutroni con un campo magnetico centinaia di volte più intenso di quello delle pulsar “normali”. Per capirci, un campo magnetico di un milione di miliardi superiore a quello terrestre. Si tratta di un oggetto molto estremo in cui molto è ancora da capire.

I dati sono stati accumulati in due osservazioni per un totale di quasi dieci giorni. I risultati ottenuti sono sorprendenti. IXPE copre un intervallo di energia di raggi X piuttosto ridotto, fra 2000 e 8000 elettronvolt (anche se l’intervallo di energia della radiazione visibile dai nostri occhi è ancora più stretto, fra 1.7 e 3.3 elettronvolt). Nonostante questo, IXPE ha osservato grandi differenze: sotto 4000 elettronvolt la frazione di radiazione polarizzata è del 14%, fra 4000 e 5000 elettronvolt è così bassa da non essere misurabile, sopra i 5000 elettronvolt è addirittura circa del 40%.

Non solo, ricordiamo che la radiazione è polarizzata in una certa direzione specifica: in quella ad alte energie questa direzione è perpendicolare a quella a basse energie. Insomma, ci devono essere due componenti completamente diverse. L’interpretazione non è univoca, ma è possibile che la causa di questo effetto sia un effetto previsto dalla teoria dell’elettrodinamica quantistica, detto “birifrangenza del vuoto“: la presenza di un forte campo magnetico fa sì che il vuoto abbia un effetto sulla polarizzazione delle radiazione.

La birifrangenza è un fenomeno ben conosciuto: ad esempio se un raggio di luce passa attraverso un certo tipo di cristallo, a causa della struttura del cristallo, viene scomposto in due raggi che hanno una polarizzazione su piani ortogonali l’uno all’altro, esattamente come osservato qui. Solo che qui non c’è nessun cristallo, l’effetto avverrebbe nel vuoto, causato dalla presenza di un fortissimo campo magnetico. Se confermata, sarebbe una scoperta straordinaria.

La seconda sorgente è un resto di supernova, come quello che abbiamo visto nella curiosità di aprile, Cassiopea A. Anzi, è proprio Cassiopea A. Trattandosi di una sorgente estesa e non puntiforme, i dati sono più complicati. Per ora la polarizzazione misurata è solo quella media relativa a una zona piuttosto estesa e la frazione di radiazione polarizzata risulta solo di qualche percento, poco meno del valore osservato nelle onde radio, e nella direzione di quella osservata nel radio. I risultati sono molto interessanti e ulteriori osservazioni con IXPE permetteranno di ottenere misure più precise per le varie zone del resto di supernova.

La terza è la sorgente binaria contenente un buco nero Cygnus X-1. Per questi sistemi le osservazioni di polarimetria possono fornire informazioni cruciali sulla geometria della materia che sta cadendo sul buco nero. Infatti intorno al buco nero sappiamo che ci sono tre componenti: un disco sottile di gas che spiraleggia verso in buco nero, un getto di materia che viene espulso a grandi velocità più o meno in direzione perpendicolare al disco, e una terza componente di gas che cade verso il buco nero, sulla cui geometria non c’è però consenso. IXPE ci ha fornito la prima informazione: la frazione di polarizzazione misurata è superiore all’atteso e ci rivela informazioni sulla geometria del sistema. In particolare, ci dice che questa terza componente è estesa nel piano del disco di materia che cade e non lungo il getto di materia che viene espulsa.

Tre risultati molto interessanti e sono solo i primi!

Vi terrò informati!

Di seguito i link dei tre articoli scientifici riguardo alle tre sorgenti citate nella curiosità

https://arxiv.org/pdf/2205.08898.pdf
https://arxiv.org/pdf/2206.06713.pdf
https://arxiv.org/pdf/2206.09972.pdf