UNSEEN: l’emergente popolazione di Stelle Di Neutroni ultraluminose

 

Taking the beat of the UNSEEN: the Ultraluminous Neutron Star population of ULXs

 

UNSEEN is the acronym of Ultraluminous Neutron Star Extreme Extragalactic populatioN, and it is a  > 1Ms exposure XMM-Newton Large Program aimed at searching and assessing the occurrence of Ultraluminous X-ray Sources (ULXs) hosting a Neutron Star (NS).  In fact owing to their X-ray luminosity far in excess of the Eddington limit (L_Edd) for a stellar mass black hole, (BH, ~10Msun), ULXs have long been considered a very well suited population to look for and study BHs of intermediate mass (IMBHs). The recent discovery of four ULXs, showing fast (~1s) and rapidly evolving pulsations (PULXs; two of which discovered by our group within the EXTraS project, see Figure above for the case of NGC 5907 ULX-1) unambiguously associated them to NSs exceeding by more than 500 times their L_Edd. These discoveries challenge our understanding of accretion physics and pose a key question about the nature of the ULXs as a class: are ULXs a heterogeneous population hosting both accreting BHs and NSs, or is there a dominant new Ultraluminous NS extragalactic populatioN with extreme properties? The program is aimed at answering the question by tripling the number of ULXs over which sensitive searches for X-ray pulsations and cyclotron resonant scattering features (CRSFs) can be carried out [PI: G.L. Israel (INAF- AO Roma)].

The blind search is done by applying a number of corrections to the photon arrival times of each detected source in order to take into account for both an UNKNOWN Doppler effect (SOPA; Search for Orbital Parameters with Acceleration techniques), due to the motion of the NS in an orbit, and an UNKNOWN strong intrinsic first (spin) period derivative (PASTA; Pulsation Accelerated Search for Timing Analysis) observed by the few known PULXs (see below).  Owing to the large number of analysis to be carried out for each source,  the search is done by using High Performing/Throughput Computer time obtained on a competition basis (HPCs/HTCs; such as Galileo and Marconi @ CINECA, PI: G. Rodriguez)

 

 

UNSEEN e’ l’acronimo (in Inglese) di Popolazione Extragalattica di Stelle di Neutroni Ultraluminose Estreme, ed e’  un grande progetto  osservativo nella banda X accettato dall’ESA (XMM-Newton) finalizzato alla ricerca di Sorgenti X Ultraluminose (note come ULX) ospitanti una Stella di Neutroni (NS) in accrescimento. Il motivo alla base di tale progetto risiede nel fatto che le ULX mostrano una luminosita’ X in eccesso di quella massima, detta luminosita’  di Eddington, osservabile per un buco nero (BH) do circa 10 volte la massa del Sole, e sin dalla loro scoperta, verso la fine degli anni ’70, si e’ pensato che potessero ospitare BH di massa intermedia (tra 100 e 100000 volte la massa del Sole) considerati i mattoni cosmici per la generazione dei BH supermassicci che osserviamo in galassie molto lontane. Tuttavia, la recente scoperta di quattro ULX che mostrano pulsazioni veloci (circa 0.5-3s) e che evolvono rapidamente  (note come PULX, due delle quali scoperte dal nostro gruppo nell’ambito del progetto europeo EXTraS; si veda la Figura sopare per il caso di NGC 5907 ULX-1) indica chiaramente che l’oggetto in accrescimento s’  una NS piuttosto che un BH che emette ad un tasso 500 volte superiore a quello previsto dalla teoria standard dell’accrescimento. Queste scoperte testimoniano che la nostra conoscienza dei processi in regime supercritico sono approssimativi e pone dei seri dubbi circa la vera natura delle ULX come classe: si tratta di una classe eterogenea di NS e BH in accrescimento  o esiste una popolazione dominante di NS extragalattiche ultraluminose con proprieta’  estreme? UNSEEN e’  un progetto che intende provare a rispondere a questa domanda triplicando il numero di ULX su cui e’  possibile effettuare una ricerca di pulsazioni X and di linee di ciclotrone [PI: G.L. Israel (INAF- AO Roma)].

La ricerca di tali segnali viene effettuata applicando diverse correzioni al tempo di arrivo dei fotoni delle sorgenti in modo da prendere in considerazione sia i parametri NON NOTI  del sistema binario in cui si trova la NS in accrescimento (SOPA; Search for Orbital Parameters with Acceleration techniques) sia la componente NON NOTA di variazione intrinseca del periodo causata dall’accrescimento (PASTA; Pulsation Accelerated Search for Timing Analysis) che e’ stata osservata nelle PULX. A causa dell’enorme numero di analisi necessarie per coprire lo spazio delle fasi 4-dimensionale dei parametri,  la ricerca viene effettuata con l’ausilio di High Performing/Throughput Computer il cui accesso e’ stato ottenuto su di una base competitiva (HPCs/HTCs; come ad esempio Galileo and Marconi @ CINECA, PI: G. Rodriguez).

Participants: G.L. Israel, G. Rodriguez, F. Bernardini, P. Casella, L. Stella, A. Papitto 

Results: 

 

Per gli studenti: Laurea triennale/Magistrale disponibile su questo argomento