La visione a raggi X e gli occhiali polarizzati si uniscono per svelare i misteri dell’universo – Momenti insegnabili

Una missione del telescopio spaziale della NASA sta offrendo agli astronomi un modo completamente nuovo di scrutare l’universo, permettendoci di svelare misteri di vecchia data che circondano oggetti come i buchi neri. Scopri come funziona e come coinvolgere gli studenti nella scienza alla base della missione.


Alcune delle caratteristiche più selvagge ed eccitanti del nostro universo, dai buchi neri alle stelle di neutroni, rimangono per noi misteriosi. Quello che sappiamo è che, a causa dei loro ambienti estremi, alcuni di questi emettono raggi X altamente energetici, che possiamo rilevare nonostante le grandi distanze tra noi e la sorgente.

Ora, una missione del telescopio spaziale della NASA sta utilizzando nuove tecniche non solo per esplorare questi fenomeni distanti, ma anche per fornire nuove informazioni sulle loro origini. Continua a leggere per scoprire come gli scienziati stanno ottenendo nuove entusiasmanti prospettive sul nostro universo e cosa riserva il futuro dell’astronomia a raggi X.

Come l’hanno fatto

Nel 2021, la NASA ha lanciato l’Imaging X-Ray Polarimeter Explorer, o IXPE, attraverso una collaborazione con Ball Aerospace e l’Agenzia Spaziale Italiana. Il telescopio spaziale è progettato per funzionare per due anni, rilevando i raggi X emessi da oggetti altamente energetici nello spazio, come buchi neri, diversi tipi di stelle di neutroni (ad esempio pulsar e magnetar) e nuclei galattici attivi. Nel suo primo anno, il telescopio si sta concentrando su circa una dozzina di sorgenti di raggi X studiate in precedenza, trascorrendo ore o addirittura giorni ad osservare ciascun bersaglio per rivelare nuovi dati resi possibili dagli strumenti scientifici del veicolo spaziale.

IXPE non è il primo telescopio ad osservare l’universo alla luce dei raggi X. L’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, lanciato nel 1999, ha notoriamente trascorso più di 20 anni a fotografare il nostro universo a una lunghezza d’onda della luce che si trova esclusivamente in ambienti ad alta energia, come dove i materiali cosmici vengono riscaldati a milioni di gradi a causa dell’intenso campi magnetici o gravità estrema.

Usando Chandra, gli scienziati possono assegnare i colori ai diversi livelli di energia, o lunghezze d’onda, prodotti da questi ambienti. Questo ci permette di ottenere un quadro della luce altamente energetica espulsa dai buchi neri e dalle minuscole stelle di neutroni: stelle piccole ma estremamente dense con masse 10-25 volte quella del nostro Sole. Queste bellissime immagini, come quelle del primo obiettivo di Chandra, Cassiopea A (in breve Cas A), mostrano la violenta bellezza delle stelle che esplodono.

Un alone blu di linee ondulate circonda un'esplosione di colori che si estende dal centro della supernova.  Più vicino al centro c'è uno schizzo circolare di arancione circondato da verde e giallo e infine un viola sfocato.

Questa immagine della supernova Cassiopea A dell’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA mostra la posizione di diversi elementi nei resti dell’esplosione: silicio (rosso), zolfo (giallo), calcio (verde) e ferro (viola). Ciascuno di questi elementi produce raggi X all’interno di ristretti intervalli di energia, consentendo di creare mappe della loro posizione. Credito immagine: NASA/CXC/SAO | › Immagine completa e didascalia

Sebbene Chandra si sia guadagnata il nome di “The Great Observatories”, gli astronomi hanno desiderato a lungo di scrutare ulteriormente in ambienti altamente energetici nello spazio catturandoli in modo ancora più dettagliato.

IXPE amplia il lavoro di Chandra con l’introduzione di uno strumento chiamato polarimetro, uno strumento utilizzato per comprendere la forma e la direzione della luce che raggiunge i rivelatori del telescopio spaziale. Il polarimetro su IXPE consente agli scienziati di ottenere informazioni dettagliate sui più piccoli dettagli di buchi neri, supernove e magnetar, come la direzione in cui ruotano e la loro forma tridimensionale.

Un alone blu di linee ondulate circonda una foschia sfocata a forma di ciambella di magenta con schizzi di blu e bianco ovunque.

Questa immagine di Cassiopea A è stata creata utilizzando alcuni dei primi dati a raggi X raccolti da IXPE, mostrati in magenta, combinati con i dati a raggi X ad alta energia di Chandra, in blu. Credito immagine: NASA/CXC/SAO/IXPE | › Immagine completa e didascalia

Sebbene gli scienziati abbiano appena iniziato a utilizzare le capacità di IXPE, stanno già iniziando a rivelare nuovi dettagli sul funzionamento interno di questi oggetti, come l’ambiente del campo magnetico attorno a Cas A, mostrato in un’immagine appena rilasciata.

Il resto della supernova è mostrato come una macchia blu con vortici di blu più luminosi e grandi schizzi di bianco.  Le linee tratteggiate sopra l'immagine scorrono dal centro verso l'esterno.  Dividendo la supernova e le linee in quarti di cerchio, la sezione in alto a destra ha linee che scorrono direttamente a nord-est.  La sezione in basso a destra ha linee che scorrono quasi a sud-est ma si curvano leggermente verso nord. La sezione in basso a sinistra ha linee che scorrono verso l'alto dal bordo inferiore della supernova, si curvano attorno al centro e poi tornano verso il basso.  E la sezione in alto a sinistra ha linee che scorrono dal centro direttamente a ovest, altre che curvano attorno al centro e scorrono diagonalmente a nord-ovest e altre che scorrono dal centro a nord.  Piccole sezioni delle linee sono evidenziate in verde alle porzioni 1, 2, 4, 7 e 11 della supernova.

Le linee in questa immagine appena rilasciata provengono da misurazioni IXPE che mostrano la direzione del campo magnetico attraverso le regioni di Cassiopea A. Le linee verdi indicano le regioni in cui le misurazioni sono più altamente significative. Questi risultati indicano che le linee del campo magnetico vicino alla periferia del resto della supernova sono largamente orientate radialmente, cioè in una direzione dal centro del resto verso l’esterno. Le osservazioni IXPE rivelano anche che il campo magnetico su piccole regioni è molto intricato, senza una direzione preferita dominante. Osservazioni come questa possono aiutare gli scienziati a capire come le particelle che escono dalle supernove interagiscono con il campo magnetico creato dall’esplosione. Crediti immagine: raggi X: Chandra: NASA/CXC/SAO; IXPE: NASA/MSFC/J. Vink et al. | + Espandi immagine | › Immagine completa e didascalia

“Per la prima volta, utilizzeremo ogni fotone di luce raccolto per parlarci della natura e delle forme degli oggetti nel cielo che altrimenti sarebbero punti di luce”, afferma Roger Romani, professore di Stanford e co-ricercatore di IXPE .

Come funziona

Generalmente, quando viene prodotta la luce, è ciò che chiamiamo non polarizzata, nel senso che oscilla in ogni direzione. Ad esempio, il nostro Sole produce luce non polarizzata. Ma a volte, la luce viene prodotta in modo altamente organizzato, oscillando solo in una direzione. In astronomia, ciò si verifica quando i campi magnetici costringono le particelle a velocità incredibilmente elevate, creando una luce altamente organizzata o polarizzata.

Questo è ciò che rende oggetti come la supernova Cas A bersagli così allettanti per IXPE. Stelle esplose come Cas A generano enormi onde energetiche quando diventano supernova, offrendo agli scienziati una visione di come le particelle che escono a velocità immense interagiscono con i campi magnetici di un tale evento. Nel caso di Cas A, IXPE è stato in grado di determinare che i raggi X non sono molto polarizzati, il che significa che l’esplosione ha creato regioni molto turbolente con direzioni di campo multiple.

Mentre l’idea di luce polarizzata o organizzata può sembrare astratta, potresti averla notata l’ultima volta che sei stato fuori in una giornata di sole. Se hai provato un paio di occhiali da sole polarizzati, potresti aver notato che l’abbagliamento era notevolmente ridotto. Questo perché quando la luce si disperde, rimbalza sulle superfici riflettenti in tutte le direzioni. Tuttavia, le lenti polarizzate hanno minuscoli filtri che consentono il passaggio solo della luce proveniente da una stretta banda di direzioni.

Il polarimetro su IXPE funziona in modo simile. Gli astronomi possono determinare l’intensità del campo magnetico di un oggetto utilizzando il polarimetro per misurare la quantità di luce rilevata dal telescopio è polarizzata. Tipicamente, più la luce è polarizzata, più forte è il campo magnetico alla sorgente.

Gli astronomi possono anche fare un ulteriore passo avanti per misurare la direzione di oscillazione di questa luce misurando l’angolo della luce che raggiunge il telescopio. Poiché la luce polarizzata lascia la sorgente in modo prevedibile, ovvero perpendicolare al suo campo magnetico, conoscere l’angolo della luce oscillante fornisce informazioni sull’asse di rotazione e potenzialmente anche sulla struttura della superficie di oggetti come stelle di neutroni e nebulose.

Animazioni affiancate che mostrano una corda che si muove da un lato all'altro attraverso una finestra aperta e una corda che si muove su e giù attraverso una finestra aperta.  Quando la finestra si chiude, un minor numero di onde nella corda che si muove su e giù attraversa la finestra mentre la corda che si muove da un lato all'altro è indisturbata.

In questa dimostrazione, la corda rappresenta le onde luminose e la finestra aperta rappresenta un polarimetro. A seconda dell’angolo delle onde luminose (corda), più o meno informazioni passano attraverso il polarimetro (finestra) più è stretto. Misurando la quantità di luce ricevuta attraverso il polarimetro, IXPE può determinare l’angolo e la polarizzazione della luce. Credito immagine: NASA/JPL-Caltech | + Espandi immagine

Immagina, ad esempio, di tenere un’estremità di un pezzo di corda fissato a un oggetto all’altra estremità. Se hai fatto oscillare la corda da un lato all’altro per creare onde orizzontali, quelle onde sarebbero in grado di attraversare un bersaglio stretto come una finestra. Se hai iniziato a chiudere la finestra dall’alto, restringendo l’apertura, le onde potrebbero plausibilmente attraversare l’apertura. Tuttavia, se tu facessi delle vere onde agitando la corda su e giù, mentre la finestra si chiudeva, sempre meno onde avrebbero attraversato l’apertura. Allo stesso modo, misurando la luce che attraversa il polarimetro fino al rivelatore sull’altro lato, IXPE può determinare l’angolo della luce ricevuta.

Per raccogliere questa luce, IXPE utilizza tre specchi identici all’estremità di un braccio di quattro metri (13 piedi). La luce ricevuta da IXPE è attentamente focalizzata sul polarimetro del veicolo spaziale all’altra estremità del boom, consentendo agli scienziati di raccogliere quelle misurazioni cruciali.

Durante la trasmissione di lancio dell’IXPE, i commentatori discutono dei componenti del veicolo spaziale e di come misura la polarizzazione. | Guarda su YouTube

Perché è importante

Basandosi sulle osservazioni di Chandra degli ultimi due decenni, il nuovo approccio di IXPE alla scienza dei raggi X sta tirando ancora più indietro il sipario su alcuni degli oggetti più affascinanti dell’universo, fornendo primi sguardi su come e dove vengono prodotte radiazioni in alcuni dei gli ambienti più estremi dell’universo. Le misurazioni IXPE di Cas A sono solo l’inizio, con obiettivi ancora più misteriosi pronti per essere esplorati.

Prendilo da Martin Weisskopf, il principale scienziato di IXPE e project scientist di Chandra, che ha trascorso i suoi 50 anni di carriera lavorando nell’astronomia a raggi X, il quale afferma: “IXPE aprirà il campo in modi in cui siamo rimasti bloccati solo teorizzare”.

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Scopri di più su come la NASA utilizza la luce per mappare il nostro universo e approfondisci alcune delle caratteristiche celesti che consente di studiare, come i buchi neri e le stelle di neutroni.

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I materiali dell’Universo di apprendimento della NASA si basano sul lavoro sostenuto dalla NASA con il numero di premio NNX16AC65A allo Space Telescope Science Institute, in collaborazione con Caltech/IPAC, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian e il Jet Propulsion Laboratory.

TAGS: Universo, Stelle e Galassie, Telescopio Spaziale, IXPE, Astronomia, Scienza, Spettro Elettromagnetico

  • Brandon Rodriguez

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