Gruppo di ricerca

L’astrofisica delle alte energie si occupa dello studio di alcuni dei fenomeni più energetici del nostro universo, prodotti da oggetti cosmici dalle caratteristiche davvero estreme. Stelle di neutroni e buchi neri, assieme a resti di supernova e pulsar wind nebulae - che ne sono luogo di formazione - sono i principali oggetti di studio della nostra ricerca.

In particolare all’Osservatorio Astronomico di Cagliari ci occupiamo di:

Ricerca e studio di radio pulsar

Le pulsar sono stelle di neutroni con campi magnetici estremamente elevati che, in virtù della loro rapidissima rotazione (fino a 800 giri al secondo!), emettono fasci di onde radio dai loro poli magnetici. La loro emissione, come quella di un faro, viene captata dai nostri radiotelescopi come una serie di regolarissimi impulsi periodici, uno per ogni rotazione della stella. Il segnale delle pulsar è dunque paragonabile al ticchettio di orologi cosmici di estrema precisione. Per questo motivo le pulsar sono utilizzate come vere e proprie sonde nella nostra Galassia per condurre studi di astrofisica e fisica fondamentale. Il loro studio ci dà informazioni uniche sull’evoluzione stellare e di sistemi binari, sulla gravità in condizioni estreme (le stelle di neutroni sono infatti sorte di buchi neri mancati), sulla natura della materia nucleare (una pulsar, data la sua elevatissima densità, è infatti paragonabile a un gigantesco nucleo atomico), sulla fisica dei plasmi, sulla distribuzione del gas e dei campi magnetici nella nostra Galassia e, se studiate nel loro insieme, in un cosiddetto Pulsar Timing Array, possono addirittura permetterci di captare le onde gravitazionali prodotte da coppie di buchi neri supermassicci. Il nostro gruppo di ricerca fa parte di alcune delle più importanti collaborazioni internazionali per lo studio delle radio pulsar, tra cui i due Large Survey project di MeerKAT (TRAPUM e MeerTime), le collaborazioni europea e internazionale di Timing Array (EPTA e IPTA) e i pulsar working group di Lofar e SKAO.

Studio multifrequenza di stelle di neutroni

Oltre che sotto forma di radio pulsar, le stelle di neutroni si manifestano attraverso diverse altre fenomenologie e in diverse bande dello spettro elettromagnetico. A partire dal 2007, con il lancio dei satelliti Agile e Fermi, un sempre crescente numero di pulsar ‘rotation powered’ (la cui fonte di energia, cioè, è la rotazione della stella) è stato scoperto e caratterizzato anche in banda Gamma, fornendo nuove fondamentali informazioni per comprenderne il meccanismo di emissione. Alle alte energie (raggi X e gamma) il ‘motore’ dell’emissione osservabile dalle stelle di neutroni può essere però di diversa natura: emissione termica (come nel caso dei Central Compact Objects), magnetosferica (per le X-ray Dim Isolated Neutron Stars), derivante da un intenso campo magnetico interno (Magnetar) o dall’accrescimento di materia da una stella compagna (X-ray Binaries). Le Pulsating Ultraluminous X-ray Sources, in particolare, sono pulsar fino a 500 volte più luminose del limite di Eddington. Scoperte nel 2014, non è chiaro come siano in grado di produrre questa luminosità. Una delle possibilità è che siano provviste di ancor più alti campi magnetici. Attraverso il timing ai raggi X, possiamo effettuare varie misure per riuscire a capire il ruolo del campo magnetico e altre variabili fisiche del sistema. In generale, lo studio delle stelle di neutroni in tutte le loro manifestazioni, ci aiuta a comprenderne i meccanismi di emissione e a indagare possibili legami evolutivi tra le diverse classi di pulsar.

Sviluppo di software di analisi di serie temporali astronomiche

Il nostro gruppo sviluppa vari pacchetti software open-source in Python per l’analisi spettro-temporale e la sua estensione alla polarimetria ai raggi X e in altre lunghezze d’onda. In particolare, il software Stingray è attualmente usato in tutto il mondo per l’analisi di dati di missioni esistenti (IXPE, NICER, XMM-Newton, NuSTAR, Astrosat, …), con uno sguardo alle missioni future ad alto throughput come eXTP.

Sviluppo di tecniche innovative di osservazione radio con i grandi radiotelescopi INAF

Complesse sorgenti astronomiche estese come i Resti di Supernova e le Pulsar Wind Nebulae sono tra gli spettacolari prodotti della vita “esplosiva” di molte stelle, contestualmente alla loro trasformazione in oggetti compatti (stelle di neutroni, buchi neri, stelle nane ecc.). Per studiare tali fenomeni alle alte frequenze radio, le osservazioni in modalità “single-dish” (che utilizzano antenne singole) sono particolarmente efficienti rispetto alle più diffuse tecniche interferometriche (che sfruttano complesse reti di radiotelescopi). Ad esempio lo studio dei Resti di Supernova tramite la realizzazione di immagini radio “single-dish” ad alta frequenza consente di comprendere i meccanismi di accelerazione delle particelle (raggi cosmici) nei processi di esplosione stellare, e di caratterizzare i processi di emissione ad alta energia. Tramite tali tecniche, il nostro gruppo ha ottenuto per la prima volta immagini di Resti di Supernova molto estesi a frequenze >20 GHz, riuscendo a misurare l’energia massima dei raggi cosmici prodotti.

Sorgenti binarie X e Microquasar

Questi sistemi sono composti da un oggetto compatto (una stella di neutroni o un buco nero stellare) ed una stella compagna. Le campagne osservative multi-frequenze permettono di indagare sul collegamento tra i processi di accrescimento ed eiezione, cercando di capire meglio le proprietà, la geometria, la composizione e i cambiamenti dei vari componenti di questi sistemi (disco di accrescimento, corona, getti) durante le loro varie fasi di accrescimento. I radiotelescopi italiani (SRT, Medicina e Noto) ci consentono di sfruttare le modalità single-dish e VLBI, che sono molto complementari per indagare sui getti. Le osservazioni single-dish permettono di seguire l'evoluzione del flusso e dell'indice spettrale radio, mentre le osservazioni VLBI ci offrono la possibilità di risolvere i getti, determinare la velocità degli ejecta ed osservare i cambiamenti strutturali dei getti.

Gamma-Ray Burst

I Gamma-Ray Burst (GRB) sono la firma di eventi cataclismici su scala stellare nell'Universo, costituiti da impulsi brevi e intensi di radiazione di raggi gamma. Il burst stesso è chiamato prompt emission, rilevato dai satelliti spaziali (X e gamma) dedicati. L'interazione tra la materia espulsa dall’esplosione ed il mezzo circostante genera un'emissione di lunga durata (da giorni a mesi) chiamato afterglow, osservabile a frequenze sempre più basse con il passare del tempo. Lo studio dell’afterglow dei GRB è fondamentale per comprendere i meccanismi di emissione, la microfisica dello shock relativistico, le proprietà del mezzo circostante e del getto. Gli afterglow radio dei GRB, per quanto difficili da osservare per la loro intrinseca debolezza (dell’ordine del sub-mJy), sono cruciali per comprendere appieno tutti questi aspetti. Il nostro gruppo di ricerca si occupa dello studio e la modellizzazione dell’emissione afterglow dei GRB, dalle alte energie fino alle radio frequenze, con relative osservazioni single-dish e follow-up con i nostri radiotelescopi INAF per i fenomeni più intensi. Tali campagne osservative sono cruciali per studiare e testare la capacità osservativa dei nostri radiotelescopi per i segnali più deboli (dell’ordine del mJy).

Fast Radio Burst

I Fast Radio Burst (FRB) sono intensi e brevissimi (millisecondi) lampi di onde radio di origine (tipicamente) extragalattica. Scoperti nel 2007 e riconosciuti ufficialmente come una nuova classe di sorgenti astrofisiche nel 2013, sono in questi anni oggetto di numerosissimi studi volti, da una parte, a comprendere quale sia la natura dei loro progenitori (probabilmente oggetti compatti - stelle di neutroni o buchi neri - vista la brevissima durata dei loro segnali) e il loro meccanismo di emissione e, dall’altra, a sfruttarne le caratteristiche uniche per studi di cosmologia e astrofisica extragalattica. In OAC ci occupiamo della ricerca e della caratterizzazione degli FRB fin dagli inizi, storicamente attraverso survey con il telescopio Murryiang di Parkes (Australia) e negli anni più recenti utilizzando i radiotelescopi italianI (le parabole di Medicina e Noto, il Sardinia Radio telescope e la rinnovata Croce del Nord) nel contesto di campagne osservative multifrequenza. Il nostro gruppo è inoltre l’unico partner non nord-americano del progetto CHORD, che porterà alla scoperta e alla precisa localizzazione di migliaia di nuovi FRB.

Follow-up di Gravitational Wave Burst e sinergie con ET e LISA

La coalescenza di oggetti compatti produce autentiche esplosioni di onde gravitazionali che, dal 2015, sono regolarmente osservate dagli interferometri per onde gravitazionali, LIGO, Virgo e, in futuro, Kagra. Quando la coalescenza coinvolge due stelle di neutroni un potente segnale elettromagnetico, dalla banda gamma alla banda radio, viene emesso, e sotto favorevoli condizioni può essere osservato con i telescopi localizzati a terra e nello spazio. Un solo evento di questo tipo è stato finora effettivamente registrato, nel 2017, e SRT ha partecipate alla campagna mondiale per l’osservazione delle caratteristiche elettromagnetiche dell’evento. In OAC da un lato ci occupiamo di pianificare le osservazioni per futuri eventi favorevoli di questo tipo e dall’altro lato studiamo come le osservazioni nelle onde radio, e in particolare con SRT, possano complementare e amplificare i dati che verranno collezionati dai rivelatori per onde gravitazionali della futura generazione: LISA (che sarà un interferometro collocato nello spazio) ed ET, che è il successore, molto più potente, di LIGO e Virgo, la cui installazione in Sardegna potrà venire decisa nel 2026.