Nuove intuizioni sui sistemi binari di stelle di neutroni

Le binarie a raggi X a bassa massa con stelle di neutroni (NS LMXB) sono tipi speciali di sistemi stellari binari. In questi sistemi, una stella di neutroni, che è il nucleo residuo di una stella massiccia esplosa, attrae materiale da una stella compagna. La stella compagna è di solito più piccola e meno massiccia. Mentre la stella di neutroni attrae materia dalla stella compagna, questo processo genera molta energia. Questa energia viene rilasciata sotto forma di raggi X, rendendo questi sistemi molto brillanti nella luce X.

#Differenze tra binarie di stelle di neutroni e buchi neri

Quando confrontiamo NS LMXB con buchi neri a raggi X a bassa massa (BH LMXB), notiamo alcune differenze chiave. I buchi neri sono stati studiati di più e ne comprendiamo meglio il comportamento. Nei sistemi di buchi neri, la relazione tra il materiale che cade sul buco nero e le emissioni radio dai getti (flussi di particelle cariche espulse dal sistema) segue uno schema chiaro. Questo schema spesso comporta uno spostamento tra diversi stati o modalità basati sulla luminosità dei raggi X.

Tuttavia, la situazione non è del tutto chiara nei sistemi di stelle di neutroni. Osserviamo che le variazioni nell'Emissione Radio e nella luminosità dei raggi X non seguono sempre lo stesso schema come nei sistemi di buchi neri. Questo ci porta allo studio di un particolare sistema di stelle di neutroni conosciuto come 4U 1820-30.

#Panoramica del sistema 4U 1820-30

4U 1820-30 è un obiettivo unico perché ha un periodo orbitale molto corto di soli 11,4 minuti, rendendolo uno dei sistemi binari a raggi X più brevi conosciuti. È composto da una stella di neutroni che si nutre di materiale da una compagna di tipo nana bianca. Questo sistema si trova in un ammasso globulare ed è stato classificato come una sorgente atoll, che si riferisce al particolare tipo di comportamento osservato nelle sue emissioni di raggi X.

Attraverso osservazioni approfondite, 4U 1820-30 ha mostrato una Modulazione super-orbitale che dura circa 170 giorni. Durante questo periodo, il sistema passa da alte a basse luminosità di raggi X, che definiamo come "modi".

#Campagna di osservazione

Nel 2022, è stata condotta una campagna di osservazione dettagliata per studiare 4U 1820-30. Questa campagna ha utilizzato vari osservatori di raggi X e radio per monitorare da vicino il sistema durante il suo ciclo super-orbitale. L'obiettivo era capire come cambiano le proprietà dei raggi X del sistema mentre si osservano anche variazioni nelle emissioni radio.

#Caratteristiche dell'emissione di raggi X

I raggi X emessi da 4U 1820-30 sono piuttosto complessi. Lo spettro dei raggi X del sistema può essere descritto utilizzando diversi componenti. Questi includono:

1. Disc Blackbody: Questo componente rappresenta le emissioni dall'accrezione del disco attorno alla stella di neutroni. Il disco è composto da materiale che viene riscaldato mentre spirale verso la stella di neutroni.

2. Spettro di Comptonizzazione: Questo spettro si origina quando i fotoni di raggi X soft dal disco interagiscono con elettroni caldi. L'interazione fa sì che i fotoni guadagnino energia e appaiano come raggi X più duri.

3. Linea di emissione del ferro K: Attorno ai 6,6 keV, c'è una caratteristica notevole nello spettro di raggi X legata alla presenza di ferro, che può essere utilizzata per tracciare le condizioni vicino alla stella di neutroni.

Nei modi di alta luminosità, la dimensione dell'area che fornisce fotoni seed per la Comptonizzazione-dove i raggi X guadagnano energia-è risultata più grande, mentre nei modi bassi, quest'area è diminuita significativamente.

#Variazioni nelle proprietà dei raggi X

La campagna ha rivelato che le proprietà dello strato di confine e del disco di accrescimento della stella di neutroni sono rimaste stabili per tutto il periodo di monitoraggio. Tuttavia, il componente di Comptonizzazione-la parte responsabile delle emissioni ad alta energia-ha mostrato variazioni significative.

Quando si passa dal modo alto al modo basso, l'area responsabile della produzione di questi fotoni seed è diminuita di dimensioni da circa 15 km a circa 10 km. Questo cambiamento ha implicazioni per l'energia disponibile per la corona-la regione esterna della stella di neutroni che contribuisce alle emissioni di raggi X.

Inoltre, lo studio ha notato che la temperatura degli elettroni della corona ha mostrato lievi aumenti quando si è passati dai modi alti a quelli bassi.

#Cambiamenti nell'emissione radio

Una delle scoperte interessanti della campagna di osservazione è stata la significativa variazione nelle emissioni radio da 4U 1820-30. Durante i modi bassi, le emissioni radio erano notevolmente più brillanti, mostrando un aumento cinque volte maggiore rispetto ai modi alti.

A differenza dei sistemi di buchi neri, dove i cambiamenti radio sono spesso accoppiati con cambiamenti degli stati spettrali, le variazioni in questo sistema di stelle di neutroni sembravano essere più correlate a cambiamenti nello strato di confine piuttosto che a transizioni tra stati duri e morbidi.

#Implicazioni del comportamento dello strato di confine

Lo strato di confine è cruciale per capire la relazione tra le emissioni di raggi X e le emissioni radio nel sistema. La campagna ha proposto che durante i modi alti, lo strato di confine fornisce energia sostanziale alla corona, causando un effetto di raffreddamento. Nei modi bassi, la situazione si inverte e c'è meno energia, permettendo alla corona di riscaldarsi.

Ciò che diventa evidente è una potenziale connessione tra lo stato dello strato di confine e le proprietà del getto. Questo implica che lo strato di confine potrebbe regolare le condizioni che influenzano il comportamento del getto.

#Strato di confine ed evoluzione del getto

Lo studio presenta un nuovo modo di vedere la relazione tra lo strato di confine e i getti. A differenza dei modelli tradizionali che si concentrano su come il disco di accrescimento influisca sul lancio del getto, sembra che lo strato di confine abbia un ruolo chiave.

Durante i modi variabili, la luminosità dello strato di confine e la sua interazione con la corona influiscono sulle proprietà dei getti. Ad esempio, quando lo strato di confine è meno attivo nei modi bassi, le emissioni radio diventano più forti, mostrando un effetto di antiaccoppiamento.

#Conclusione e direzioni future

I risultati della campagna di osservazione su 4U 1820-30 contribuiscono alla nostra comprensione di come funzionano i sistemi di stelle di neutroni. Sottolineano le complessità e le variazioni nelle emissioni di raggi X e radio e suggeriscono una relazione più intricata tra lo strato di confine e il comportamento dei getti.

Future osservazioni e campagne saranno importanti per testare ulteriormente queste idee e determinare se meccanismi simili si applicano ad altre LMXB con stelle di neutroni. Conducendo studi più dettagliati su come i processi di accrescimento ed espulsione evolvono nel tempo, possiamo ottenere approfondimenti più profondi sulla fisica che governa questi affascinanti oggetti celesti.