Quando fu scoperta, eravamo nel 2007, si pensava che la stella 1RXS J141256.0+792204 facesse parte della stessa categoria di altre sette stelle di neutroni soprannominate The Magnificent Seven e per questo motivo fu chiamata Calvera, come il bandito del famoso film western americano The Magnificent Seven.

Come le magnifiche sette emette soltanto raggi X termici, prodotti dal graduale raffreddamento della superficie, che ha attualmente una temperatura di un milione di gradi ma i nuovi dati ottenuti grazie allo strumento NICER (Neutron star Interior Composition Explorer), a bordo della Stazione spaziale internazionale, hanno permesso di scoprire che in realtà questa sorgente ha caratteristiche anomale che la differenziano dalla categoria delle altre stelle di neutroni in cui era stata collocata: si trova a circa 10.000 anni luce da noi, una distanza decisamente maggiore rispetto alle magnifiche sette, ed è molto più giovane visto che ha un’età di 300.000 anni anziché un milione come le altre. La sua distanza indica che Calvera sarebbe nata nell’alone della nostra galassia, la Via Lattea, e non nel piano galattico come la maggior parte delle sue analoghe, e questa peculiarità apre interessanti scenari sulla sua formazione.

Queste nuove importanti informazioni emergono da uno studio guidato da ricercatori e ricercatrici dell’Istituto nazionale di astrofisica e diverse università italiane, tra cui l'ateneo di Padova, appena pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal. 

Calvera non è quindi assimilabile alle magnifiche sette e la sua posizione, se considerata in relazione alla giovane età della stella, ha portato gli autori a ipotizzare che possa essere nata proprio nell’alone galattico, non lontano da dove si trova attualmente. Quanto ai meccanismi della sua formazione si ritiene che possa avere avuto origine dall’esplosione di una delle cosiddette massive runaway stars, stelle massicce con velocità elevate che sfuggono dal disco della nostra Galassia e si trovano nell’alone. Ma c'è un'altra possibilità, più intrigante perché corrisponderebbe a un evento estremamente raro, che mette in relazione la nascita di Calvera al collasso gravitazionale di una nana bianca causato dall’accrescimento di materia da una stella molto vecchia presente nell'alone galattico.

Abbiamo approfondito le nuove scoperte su Calvera insieme a Roberto Turolla e Roberto Taverna, i due docenti del dipartimento di Fisica e astronomia dell'università di Padova che hanno partecipato alla studio e ci hanno illustrato le caratteristiche che rendono questa stella una realtà a se stante, se non un vero e proprio caso unico. 

Le stelle di neutroni e "le magnifiche sette"

"La nostra galassia - introduce il professor Roberto Turolla - contiene in realtà tantissime stelle di neutroni: ce ne sono un numero tra cento milioni e un miliardo, quindi non sono rare come si possa pensare. Quelle che possiamo vedere sono però poche e a tutt’oggi se ne conoscono circa 3.000. La maggior parte sono quelle che vengono chiamate pulsar radio: oggetti che conosciamo e vediamo grazie all’emissione di impulsi regolari di onde radio. Accanto a queste stelle di neutroni di tipo comune ce ne sono altre molto più rare e misteriose e in particolare ce ne sono sette che sono state scoperte grazie a un satellite che si chiamava Rosat ed è stato attivo negli anni ’90. Da quel momento il loro numero non è mai aumentato. Per questo sono spesso chiamate affettuosamente dalla comunità "le magnifiche sette", facendo riferimento al famoso film western".

La scoperta di Calvera e le nuove informazioni sulle sue caratteristiche

Nel 2007, alcuni anni dopo la scoperta delle "magnifiche sette", è stata trovata un’altra sorgente abbastanza simile, anch’essa osservata solo nei raggi X, ma con proprietà un po’ diverse. Per questo motivo nella scelta del suo soprannome è stato mantenuto un collegamento con il film ed è stata chiamata Calvera come il personaggio cattivo dei magnifici sette.

"A differenza della altre - precisa Turolla - ruota molto più rapidamente, è un po’ più calda e soprattutto potrebbe essere molto più lontana. Le magnifiche sette, o almeno alcune di esse, sono piuttosto vicine. La più vicina è a una distanza di circa 60 parsec che su scala della nostra galassia vuol dire il giardino di casa. Calvera è stata osservata numerose volte da strumenti diversi e più di recente da una missione X denominata NICER. Abbiamo così applicato dei modelli ai dati osservati con questo strumento. Tra le proprietà che distinguono Calvera dalle sette c’è anche quella di essere a elevata latitudine galattica il che vuol dire che viene vista molto in alto sul piano galattico: se poi questo corrisponda davvero al fatto che sia fuori dal piano galattico dipende in realtà da quanto è distante".

"Finora la distanza di Calvera non era stata molto ben determinata e l’intervallo era troppo ampio per poter dire con esattezza se effettivamente stava molto al di sopra del piano galattico oppure no. Bisogna ricordare che generalmente tutte le stelle di neutroni sono vicine al piano galattico perché sono oggetti non troppo vecchi, nati dall’esplosione di stelle massicce che erano tutte sul piano galattico", continua il co-autore dello studio.

Una stella molto più lontana di quanto si pensasse e le ipotesi sulla sua formazione

"Esaminando i dati NICER di Calvera, grazie a una modellizzazione molto accurata e sofisticata della radiazione che vediamo arrivare da questa stella nella banda X, è stato possibile determinare con una ragionevole accuratezza la sua distanza. In particolare risulta essere dell’ordine di 3.300 parsec. Combinando questa caratteristica con l’angolo che misura la sua altezza sul piano galattico si può concludere che Calvera è un oggetto molto peculiare: una stella di neutroni che è collocata molto al di sopra del piano galattico", approfondisce Turolla.

Come sia arrivata lì non è chiaro ma data la sua giovane età gli scienziati ritengono che non possa essere salita dal piano galattico fino alla sua posizione attuale nel tempo in cui ha vissuto. "Per questo motivo - spiega il docente del dipartimento di Fisica e astronomia - è altamente probabile che questa stella di neutroni si sia formata nel corso di un evento piuttosto raro legato all’esplosione di supernova di una stella che originariamente si è mossa fuori dal piano galattico perché aveva un’alta velocità. Oppure perché è avvenuto un fenomeno che ha trasformato una nana bianca, che si trovava al di sopra del piano galattico, in una stella di neutroni dopo che una certa quantità di materia si è depositata sulla superficie della nana bianca. Per determinare la distanza abbiamo descritto in maniera accurata attraverso un modello qual è la radiazione emessa: più nello specifico abbiamo adattato un modello di atmosfera a stella di neutroni al caso di Calvera e questo ha permesso di riprodurre i dati osservati sia per quanto riguarda la distribruzione spettrale che quanto riguarda la frazione pulsata, cioè il tipo di pulsazione X che si vede nei dati. Anche questo oggetto, come le pulsar radio, è una sorgente che in banda X emette un flusso che varia regolarmente nel tempo".

Un altro aspetto emerso dallo studio è che Calvera è contraddistinta da una distribuzione della temperatura superficiale più complicata di quanto non ci si potesse aspettare. "Essendo una stella di neutroni ha un campo magnetico piuttosto intenso e questo comporta il fatto che la distribuzione di temperatura sulla sua superficie non sia omogenea e, di conseguenza, che l’emissione avvenga in maniera pulsata, a seconda della fase di rotazione dell’oggetto. Questo però non bastava a spiegare i dati. Invece quello che si vede è che oltre a questa distribuzione non omogenea di temperatura sulla superficie, prodotta dall’effetto del campo magnetico della stella stessa, devono essere presenti anche due zone più calde la cui origine è ancora incerta. Potrebbero essere l’effetto di una distribuzione non isotropica prodotta da un campo magnetico più complicato di quello che si pensa possa avere la stella oppure l’effetto di correnti che si muovono vicino alla stella di neutroni e quando ritornano sulla superficie la colpiscono riscaldandola. Sono due calotte molto piccole che però devono essere presenti perché se così non fosse i dati non potrebbero essere spiegati", conclude il professor Roberto Turolla.

"Il nome ufficiale di questa stella di neutroni, 1RXS J141256.0+792204, deriva dalle sue coordinate celesti ma è stata soprannominata Calvera perché inizialmente sembrava avere le caratteristiche di una particolare classe di stelle di neutroni che vengono chiamate XDINS (X-ray Dim Isolated Neutron Stars). Sono oggetti che si ritiene siano piuttosto vecchi, con un campo magnetico abbastanza intenso e un’emissione X piuttosto soft. Siccome queste sorgenti XDims sono solo sette e sono particolarmente vicine alla Terra, sono state ribattezzate le magnifiche sette. Le caratteristiche della sorgente che abbiamo analizzato in questo studio sembravano inizialmente essere assimilabili a quelle delle XDINS e per questo era stata ribattezzata Calvera. Ben presto però si è compreso che le sue caratteristiche non sono proprio le stesse che contraddistinguono questa classe di stelle di neutroni", introduce Roberto Taverna, coautore dello studio in procinto di pubblicazione sulla rivista The Astrophysical Journal.

Una stella più giovane delle XDINS e molto più lontana 

Passando ad esaminare nel dettaglio le caratteristiche di questa stella di neutroni il docente spiega che "il valore del periodo di rotazione, pari a 59 millisecondi, e della spin down rate, cioè del rallentamento in funzione del periodo, erano fuori dal range dei valori che ci si attende per le XDINS e fanno inferire un campo magnetico per spin down supericiale dell’ordine di 10¹¹ Gauss (e al polo di 10¹²⁾ che è un ordine di grandezza inferiore a quello delle XDINS. Inoltre l’emissione di raggi X risulta superiore a quella delle XDINS normali e, diversamente da esse, questa sorgente non è vicina ed è relativamente alta sul piano galattico, con una latitudine galattica dell’ordine di 40°".

A seconda della posizione in cui si trova una sorgente nella galassia possiamo ottenere informazioni che consentono di avanzare ipotesi sulla sua evoluzione. "Sappiamo che le stelle di neutroni che osserviamo oggi sono i resti di stelle sufficientemente giovani e molto più grandi del Sole che poi sono esplose in supernova. Per le stelle di neutroni è possibile stabilire anche l’età e lo si fa a partire dal timing, cioè del periodo della spin down rate: per questo oggetto si arriva a stime di 10⁵ anni, quindi Calvera è molto giovane e si deve essere formata da una stella giovane. Ma sappiamo le stelle che si trovano fuori dal piano galattico, nell’alone della galassia, sono vecchie e più piccole, non esplodono in supernova e non danno origine a stelle di neutroni.

Sulla formazione di Calvera ci sono dunque diverse interpretazioni. "Potrebbe essere nata sul piano galattico e poi con l’esplosione di supernova sarebbe schizzata via dal sito dell’esplosione ed essere riuscita a staccarsi così tanto dal piano galattico da arrivare a una latitudine galattica di 40°. L’ipotesi pare tuttavia un po’ inverosimile perché la stella è piuttosto giovane e ha avuto poco tempo tempo per muoversi dal piano galattico alla velocità media con cui si muovono le stelle di neutroni. L’altra possibilità è che sia nata in quella regione della galassia, formandosi da una stella molto vecchia dell’alone galattico e che sia andata ad accrescere materiale fino a raggiungere la massa critica, il cosiddetto limite di Chandrasekhar, per poi esplodere in supernova: una nana bianca che accresce materiale può diventare una stella di neutroni ma questi fenomeni sono estremamente rari e si tratterebbe del primo esempio di questo tipo di meccanismi", continua il docente del dipartimento di Fisica e astronomia dell'università di Padova.

Lo strumento Nicer e le misure spettrali di Calvera

"La misura che dirime questi scenari è sicuramente quella della distanza della sorgente: non potendo misurarla direttamente si fa una misura di spettro e questo lo si è realizzato grazie allo strumento NICER che è stato lanciato nel 2017 con la collaborazione della Nasa, adesso è a bordo della Stazione spaziale internazionale e fa diversi tipi di misure, tutti improntati allo studio delle stelle di neutroni. Con questo strumento già in passato è stato possibile fare diverse misure spettrali di Calvera ma specialmente negli ultimi anni, l’ultima misura è del febbraio del 2021, c’è stato un incremento della mole di misure che abbiamo a disposizione".

Immagini dello strumento NICER. Credit: NASA

"I colleghi del gruppo di Milano, guidato da Sandro Mereghetti e Michela Rigoselli, hanno condotto questa analisi che, grazie alla sensibilità dello strumento e al gran numero di misure, ha permesso di ottenere per la prima volta una misura risolta in fase. Sappiamo che la stella di neutroni ruota su se stessa con un periodo di 59 millisecondi ed è stato possibile dividere questo periodo in diverse parti e prendere uno spettro per ogni parte che compone il periodo. Una cosa che si è visto subito è che il flusso che viene dalla sorgente è fortemente dipendente dal tempo che l’oggetto ha delle pulsazioni. Ma i modelli precedenti di questa sorgente, che si basavano sulle misure più vecchie, non riuscivano a spiegare queste pulsazioni. Le nuove misure hanno invece permesso di migliorare il modello di partenza, prevedendo non più solo componenti termiche, quindi corpi neri generici", approfondisce il dottor Taverna.

"Abbiamo infatti considerato - continua il docente - che sulla superficie della stella di neutroni potrebbe esserci uno strato atmosferico molto sottile ma in grado di modificare le proprietà dello spettro che noi raccogliamo. In particolare, il modello di atmosfera che abbiamo analizzato era composto da puro idrogeno completamente ionizzato con una temperatura variabile e abbiamo visto che, adattando i dati osservativi a un modello formato dalla sola emissione che viene fuori dall’atmosfera e assumendo che la temperatura vari sulla superficie della stella passando attraverso l’atmosfera, c’erano delle discrepanze rispetto allo spettro".

"Per questo motivo abbiamo allora considerato una seconda componente spettrale, questa volta localizzata sulla superficie. Nel nostro modello abbiamo così assunto che in prossimità dei poli magnetici della stella ci sia una zona più calda e poi tutto il resto della superficie emetta nella modalità prevista dal modello di atmosfera che avevamo visto in precedenza e che si adattava bene, a parte per quell’eccesso ad alta energia che si riscontrava. Abbiamo modellato questa zona più calda sia tenendo conto che sotto c’è comunque l’atmosfera, sia considerando semplicemente un modello di corpo nero e questo è legato a che cosa pensiamo che questa zona più calda possa creare nei poli magnetici. Potrebbero essere ad esempio delle correnti che ritornano sulla superficie della stella scaldando la regione sottostante. Queste zone potrebbero invece essere create da delle anisotropie intrinseche di temperatura sulla superficie della stella, ad esempio perché il campo magnetico ha una forte componente toroidale che per effetto di isolamento crea delle zone più calde ai poli e più fredda vicina all’equatore magnetico. Questo implicherebbe che l’atmosfera rimane con le stesse caratteristiche fisiche. Abbiamo provato entrambi i modelli e abbiamo visto che quello che sembra più vicino ai dati sperimentali è quello in cui c’è questa calotta più calda ma con le caratteristiche di un’atmosfera normale, quindi non bombardata da queste particelle cariche come nel caso delle correnti", spiega il coautore dello studio.

"Questo ha permesso di adattare al modello anche il profilo pulsato della stella e il fatto che la normalizzazione dello spettro sia essenzialmente legata alla distanza vincola la distanza della stella da noi: non molto lontana ma nemmeno così vicina come sono le XDINS. D’altra parte anche la velocità con cui questa stella si allontana dal piano galattico non è sufficiente per affermare che si sia formata sul piano e che nel tempo in cui ha vissuto è riuscita ad arrivare così in alto".

E' stato quindi ormai appurato che le caratteristiche di Calvera sono diverse rispetto a quelle delle XDims ma c'è ancora incertezza rispetto alla categoria in cui  inserire questa stella di neutroni così anomala e particolare. "Potrebbe appartenere ad altre classi di stelle di neutroni come le radio pulsar ma dobbiamo ricordare che per questa sorgente non sono state rilevate pulsazioni nel gamma che sarebbero invece previste nei modelli. Oppure potrebbe essere un CCO, Central Compact Objects, cioè stelle di neutroni che si trovano al centro di un supernova remnants: quando esplode una supernova la stella di neutroni, almeno all’inizio della sua vita, è proprio al centro di questa nube di gas e polveri che viene espulsa dalla stella principale. Questo tipo di sorgenti avrebbe un campo magnetico dell’ordine di quello osservato per Calvera, ma non emettono onde radio e inoltre quello che manca è il resto di supernova.

In alcune pubblicazioni precedenti era stata osservata una regione vicino a Calvera che emetteva raggi X e poteva essere associata alla sorgente come resto di supernova, però valutando dove si trova va questa regione e la nostra sorgente si è visto che invece di fuggire dal resto di supernova, come dovrebbe essere per una stella di neutroni che si è appena formata, l’oggetto va verso quello che si pensava essere il resto di supernova".

"Calvera rimane così una sorgente che ha quasi tutte la caratteristiche delle pulsar, con un campo magnetico piuttosto basso, ma la particolarità è proprio quella di essere una stella di neutroni che si trova nell’alone galattico e che deve essersi proprio formata lì e non nel piano galattico", conclude Taverna.