Processi di accelerazione nei resti di supernova: SN 1006

Nel corso del 2008 abbiamo avviato un progetto per lo studio dei processi di accelerazione di particelle nei fronti di shock dei resti di supernova. Questo progetto coinvolge, oltre ai ricercatori dell'INAF-OAPa, diversi ricercatori internazionali, fra cui il Dott. O. Petruk dell'Università nazionale di Lviv (Ukraina), che è stato ospite dell'Osservatorio Astronomico di Palermo per due mesi, in qualità di esperto di modelli teorici di accelerazione di particelle. Il nostro approccio prevede l'analisi di osservazioni nei raggi X, e nella banda radio (con la collaborazione delle Dott.sse G. Dubner e G. Castelletti dell'Istituo de astronomia y Fisica del Espacio di Buenos Aires), lo sviluppo di modelli idrodinamici e la sintesi dell'emissione multi-banda da confrontare con le osservazioni. Il progetto è tuttora in corso e sono stati già prodotti diversi articoli: i) Miceli et al. 2009, A&A 501, 239, ii) Petruk et al. 2009, MNRAS 393, 1034; iii) Petruk et al. 2009, MNRAS 395, 1467; iv) Petruk et al. 2009, MNRAS, in press.

È ormai noto che le particelle a più alta energia presenti nell'universo vengono accelerate nei fronti di shock attraverso il processo di accelerazione di Fermi al primo ordine. Nei resti di supernova in cui questo processo è efficiente ed in cui le particelle sono accelerate ad energie superiori al TeV è previsto si osservi emissione X da sincrotrone. L'emissione non-termica nei raggi X di particelle ultra-relativistiche è stata rivelata per la prima volta nel resto della supernova SN 1006, fornendo così una prova diretta della connessione fra SNR ed accelerazione di raggi cosmici.

Non tutti i resti di supernova presentano emissione X non-termica, ma, quando ciò accade (ed il processo di accelerazione è particolarmente efficiente), ci si aspetta che una frazione significativa dell'energia dello shock venga ceduta alle particelle accelerate. Si prevede che ciò modifichi significativamente le caratteristiche termodinamiche e la struttura stessa del resto di supernova (mezzo post-shock più denso e più freddo, minore distanza fra ejecta e shock principale, etc). Pertanto anche lo studio del'emissione termica può avere importanti potenzialità diagnostiche per rivelare la presenza e l'efficienza del processo di accelerazione. Il laboratorio ideale per lo studio di questi processi è il resto di supernova SN 1006. Infatti questo SNR è caratterizzato da una intensa emissione X non-termica, si sta evolvendo in un mezzo tenue e omogeneo (per via della sua alta latitudine galattica) ed ha un'età nota con estrema precisione.

Abbiamo condotto un'analisi accurata di tutte le osservazioni di archivio di SN 1006 effettuate col telescopio per i raggi X XMM-Newton. Obiettivo di tale analisi è la descrizione della distribuzione spaziale delle proprietà fisiche e chimiche del plasma in prossimità del fronte di shock, dove gli effetti dell'accelerazione di particelle sono più rilevanti. Ci siamo occupati sia della componente termica che di quella non-termica della radiazione X (emissione di sincrotrone delle particelle accelerate) per studiare gli effetti del processo di accelerazione sul plasma responsabile dell'emissione X.

A questo fine abbiamo condotto un'analisi spettrale spazialmente risolta su un set di 30 regioni localizzate sul bordo di SN 1006. I risultati dell'analisi spettrale mostrano che l'emissione termica è associata agli ejecta riscaldati dal reverse shock e che la composizione chimica e la temperatura degli ejecta presentano significative disomogeneità. In particolare gli ejecta a sud-est risultano più caldi e più ricchi di silicio rispetto a quelli a nord-ovest. Questo risultato suggerisce che l'esplosione che ha generato SN 1006 possa non essere stata perfettamente isotropa.

Abbiamo inoltre usato i risultati dell'analisi spettrale per derivare il contributo dell'emissione di sincrotrone nella banda $0.5-0.8$ keV e, sottraendo il contributo non-termico, abbiamo così prodotto un'immagine della pura componente termica (cioè degli ejecta). La Fig.  mostra le differenze fra l'immagine totale (emissione termica$+$sincrotrone) e quella termica nella banda $0.5-0.8$ keV.

Figure: A sinistra: Immagine del tasso di conteggi nei raggi X di SN 1006 nella banda $0.3-0.5$ keV. A destra: Immagine del tasso di conteggi della sola componente termica dell'emissione X nella banda $0.3-0.5$ keV. In entrambe le immagine le dimensioni del pixel sono di $8''\times8''$.

L'immagine termica ci permette di tracciare la posizione della discontinuità di contatto e di calcolare la sua distanza dal fronte di shock. Ci si aspetta che in presenza di efficienti processi di accelerazione di particelle questa distanza sia ridotta rispetto a quanto previsto dai modelli standard di evoluzione di SNR (in questi casi si parla di shock modificato). Abbiamo quindi confrontato il profilo azimutale della distanza fra discontinuità di contatto e shock principale con quella prevista da un modello di evoluzione di SNR con shock non-modificato. Il modello idrodinamico adottato è un modello 3-D implementato con l'ausilio del codice idrodinamico parallelo FLASH ed il cui setup è stato accuratamente preparato per riprodurre SN 1006. Dal confronto fra modello e osservazioni abbiamo mostrato che la distanza osservata è sempre significativamente inferiore di quella prevista dal modello. Il modello di shock non-modificato non è dunque adeguato per descrivere le caratteristiche osservate in SN 1006. Abbiamo così dimostrato che in SN 1006 lo shock è modificato ovunque (per ulteriori dettagli, si veda Miceli et al. 2009, A&A 501, 239).