(versione in italiano sotto)

(involved OAR’s scientistists: GianLuca Israel, Piergiorgio Casella, Alessandro Papitto, Guillermo Rodríguez-Castillo, Luigi Stella)

 

 ESA’s XMM-Newton has found a pulsar – the spinning remains of a once-massive star – that is a thousand times brighter than previously thought possible.

The pulsar is also the most distant of its kind ever detected, with its light travelling 50 million light-years before being detected by XMM-Newton.

Pulsars are spinning, magnetised neutron stars that sweep regular pulses of radiation in two symmetrical beams across the cosmos. If suitably aligned with Earth these beams are like a lighthouse beacon appearing to flash on and off as it rotates. They were once massive stars that exploded as a powerful supernova at the end of their natural life, before becoming small and extraordinarily dense stellar corpses.

This X-ray source is the most luminous of its type detected to date: it is 10 times brighter than the previous record holder. In one second it emits the same amount of energy released by our Sun in 3.5 years.

XMM-Newton observed the object several times in the last 13 years, with the discovery a result of a systematic search for pulsars in the data archive – its 1.13 s periodic pulses giving it away.

The signal was also identified in NASA’s Nustar archive data, providing additional information.

 

The record-breaking pulsar, identified as NGC 5907 X-1, is in the spiral galaxy NGC 5907, which is also known as the Knife Edge Galaxy or Splinter Galaxy. The image comprises X-ray emission data (blue/white) from ESA’s XMM-Newton space telescope and NASA’s Chandra X-ray observatory, and optical data from the Sloan Digital Sky Survey (galaxy and foreground stars).

The inset shows the X-ray pulsation of the spinning neutron star, which has a period of 1.13 s, as determined by XMM-Newton’s European Photon Imaging Camera.

Created by Guillermo Rodríguez-Castillo.

“Before, it was believed that only black holes at least 10 times more massive than our Sun feeding off their stellar companions could achieve such extraordinary luminosities, but the rapid and regular pulsations of this source are the fingerprints of neutron stars and clearly distinguish them from black holes,” says Gian Luca Israel, from INAF-Osservatorio Astronomica di Roma, Italy, lead author of the paper describing the result published in Science this week.The archival data also revealed that the pulsar’s spin rate has changed over time, from 1.43 s per rotation in 2003 to 1.13 s in 2014. The same relative acceleration in Earth’s rotation would shorten a day by five hours in the same time span

“Only a neutron star is compact enough to keep itself together while rotating so fast,” adds Gian Luca.

Although it is not unusual for the rotation rate of a neutron star to change, the high rate of change in this case is likely linked to the object rapidly consuming mass from a companion.

“This object is really challenging our current understanding of the ‘accretion’ process for high-luminosity stars,” says Gian Luca. “It is 1000 times more luminous than the maximum thought possible for an accreting neutron star, so something else is needed in our models in order to account for the enormous amount of energy released by the object.”

The scientists think there must be a strong, complex magnetic field close to its surface, such that accretion onto the neutron star surface is still possible while still generating the high luminosity.

“The discovery of this very unusual object, by far the most extreme ever discovered in terms of distance, luminosity and rate of increase of its rotation frequency, sets a new record for XMM-Newton, and is changing our ideas of how such objects really ‘work’,” says Norbert Schartel, ESA’s XMM-Newton project scientist.

An accreting pulsar with extreme properties drives an ultraluminous X-ray source in NGC 5907” by G.L. Israel is published in Science.

The discovery was made as a result of the “Exploring the X-ray Transient and variable Sky” (EXTraS) project.

Source: ESA

Ecco la pulsar X più estrema

(Ricercatori OAR coinvolti nella ricerca: GianLuca Israel, Piergiorgio Casella, Alessandro Papitto, Guillermo Rodríguez-Castillo, Luigi Stella)

È in un colpo solo la pulsar X più distante e più luminosa ad oggi conosciuta. L’ha scoperta un team di ricerca guidato da Gianluca Israel dell’INAF grazie ai dati raccolti dagli osservatori spaziali XMM-Newton dell’Esa e NuSTAR della Nasa

La pulsar record denominata NGC 5907 ULX si trova nella galassia a spirale NGC 5907. L’immagine mostra l’emissione nei raggi X (in blu) individuata dai telescopi spaziali XMM-Newton dell’ESA e Chandra della NASA sovrapposta alle osservazioni nella banda visibile della Sloan Digital Sky Survey. Crediti: ESA/XMM-Newton, NASA/Chandra & Sloan. Immagine creata da Guillermo Rodríguez-Castillo.

Ngc 5907 Ulx è la più estrema tra le pulsar X finora conosciute. È infatti la più distante e la più luminosa tra quelle a noi note. A scoprire questo potentissimo faro cosmico, una stella di neutroni fortemente magnetizzata, che compie una rotazione completa attorno al proprio asse in appena 1,13 secondi mentre accresce materia da una stella compagna, è stato un team internazionale di ricercatori, coordinati da GianLuca Israel dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) a Roma grazie ai dati ottenuti dagli osservatori spaziali Xmm-Newton dell’Esa e Nustar della Nasa, questi ultimi raccolti ed elaborati dal Centro Ssdc dell’Agenzia spaziale italiana.

«La radiazione di Ngc 5907 Ulx ha impiegato 50 milioni di anni luce per arrivare da una remota galassia fino alla Terra» dice Israel, primo autore dello studio pubblicato su Science. «Quando le pulsazioni rivelate dalle missioni Xmm-Newton e Nustar sono partite dalla superficie della pulsar, sulla Terra i dinosauri erano spariti da poco e gli esseri umani ancora non erano apparsi». Ma oltre che estremamente distante, questa pulsar è la più brillante mai osservata. In un secondo infatti emette la stessa quantità di energia rilasciata dal Sole in tre anni e mezzo.

Un’altra informazione che emerge dallo studio, che abbraccia un arco temporale di 11 anni di osservazioni, è che il periodo della pulsar in questo arco di tempo è diminuito di 300 millesimi di secondo, passando da 1,43 secondi nel 2003 a 1,13 secondi nel 2014. «Di per sé questa variazione appare assai piccola, ma è in realtà enorme dal punto di vista percentuale» prosegue Israel. «La stessa accelerazione applicata alla Terra equivarrebbe all’accorciamento della durata del giorno di ben 5 ore in 11 anni. Una enormità. Quello che abbiamo ricavato è il valore più estremo del tasso di variazione del periodo per una pulsar X che sia mai stato osservato, a testimonianza dell’enorme ritmo di accrescimento di materia che è presente nel sistema binario che ospita questo oggetto celeste».

Per molto tempo si è pensato che il modo più naturale per spiegare l’enorme energia rilasciata dalle sorgenti X ultraluminose fosse di invocare la presenza di buchi neri massicci, con masse tra cento e mille volte quella del nostro Sole: questo perché più è grande l’oggetto, maggiore è la massima luminosità che può raggiungere. Tuttavia, la scoperta di un segnale coerente implica che l’oggetto non può essere un buco nero massiccio, ma una stella di neutroni con una massa di appena una volta e mezza – o poco più – quella del Sole.

Secondo i modelli teorici sviluppati sino oggi per spiegare l’accrescimento, questa pulsar sta emettendo una quantità di energia mille volte maggiore di quella massima attesa per oggetti con una massa comparabile a quella del Sole e non dovrebbe emettere alcun segnale. È quindi necessario rivedere questi modelli. «La nostra idea è che il campo magnetico in prossimità della superficie della stella di neutroni possa assumere una configurazione più complessa di quella considerata sino ad adesso dai modelli e che sia in grado di assicurare una emissione elevata e di permettere altresì che la materia possa continuare ad accrescere» conclude Israel.

Lo studio riguardante Ngc 5907 Ulx è parte di un progetto più ampio, noto come EXTraS (acronimo di Exploring the X-ray Transient and variable Sky), guidato da Andrea De Luca dell’Inaf di Milano, finanziato dall’Unione Europea e finalizzato allo studio di diversi aspetti di variabilità delle sorgenti X, più di mezzo milione, incluse nel catalogo del satellite Xmm-Newton.