Branca dell'astronomia che si occupa dello
studio delle sorgenti astronomiche mediante l'impiego dei raggi X. Poiché
l'atmosfera terrestre è completamente opaca ai raggi X, è
necessario portare gli strumenti per la rilevazione di raggi X al di fuori di
essa, mediante razzi o satelliti: solo radiazioni di energia superiore a 30 keV
possono essere studiate in alta quota, su palloni stratosferici di grande
volume. Dal punto di vista storico, il primo corpo celeste osservato ai raggi X
fu il Sole (1949), da parte di un gruppo di scienziati americani guidati da H.
Friedman; la scoperta della prima sorgente di raggi X esterna al sistema solare
risale invece al 1962, ad opera di R. Giacconi, H. Gursky, F. Paolini e B.
Rossi. Altri esperimenti con razzi effettuati negli anni seguenti consentirono
la scoperta di nuove sorgenti di raggi X, in alcuni casi identificate con
oggetti già noti; a partire dagli anni Settanta, poi, sono stati
realizzati notevoli progressi nella
X-a. mediante l'utilizzo di satelliti
artificiali, tra i quali ricordiamo la missione realizzata nel 1996 con il
lancio del satellite Sax-Beppo, con il prevalente contributo italiano. I primi
strumenti utilizzati per la rilevazione di raggi X furono i contatori Geiger,
presto sostituiti dai contatori proporzionali, con i quali è possibile
misurare l'energia dei fotoni; la direzione di provenienza dei fotoni veniva
determinata mediante collimatori che permettevano una risoluzione angolare di
circa mezzo grado, poi migliorata fino ad un primo d'arco, con l'impiego dei
collimatori a modulazione. Lo sviluppo dell'ottica a raggi X, avvenuto negli
anni Cinquanta, portò all'elaborazione di sistemi ottici sempre
più sensibili, che differiscono in base al campo di energia che si vuole
indagare. Il numero di sorgenti cosmiche di raggi X attualmente nota è
pari a circa 70.000, in base alle osservazioni ottenute con il satellite Rosat
in orbita dal 1990, aventi coordinate note con una precisione che va da una
decina di secondi d'arco a circa 1,5 primi d'arco; una buona parte di esse, in
prevalenza oggetti di natura stellare, si concentra verso le regioni centrali
della Via Lattea, mentre le restanti, costituite da nuclei galattici attivi e da
ammassi di galassie, si distribuiscono in maniera uguale nel resto del cielo.
Oltre alle sorgenti si osserva anche una radiazione diffusa altamente isotropa
che si ritiene dovuta all'emissione di un elevato numero di sorgenti
extragalattiche lontane, aventi un flusso troppo debole per poterle distinguere
singolarmente. Il meccanismo fisico che sta alla base dell'emissione di raggi X
da oggetti di natura stellare è la radiazione di frenamento, che viene
generata nelle collisioni tra elettroni e ioni positivi in un gas a temperatura
molto elevata, dell'ordine di qualche milione di K. Le sorgenti galattiche di
raggi X possono essere suddivise in più tipi, diversi per tipologia e
luminosità. Una prima classe è costituita da oggetti che emettono
energia di origine coronale: è il caso di stelle circondate da
un'atmosfera rarefatta con temperatura molto elevata (
corona), nelle
quali domina il trasporto convettivo dell'energia. Le onde elastiche che si
sviluppano, molto intense, vengono dissipate nella corona, che raggiunge
così temperature tanto elevate da farle emettere raggi X. Questi processi
sono rilevanti in stelle dei tipi spettrali più avanzati, ma l'emissione
di raggi X a bassa energia di origine coronale può aversi anche da stelle
calde e giovani. Un'altra importante classe di sorgenti galattiche è
costituita da gas ad elevata temperatura conseguenti ad una esplosione stellare
(supernovae), riconoscibili per la caratteristica struttura a guscio sferico con
cui si presenta la loro emissione radio nel campo del visibile e dei raggi X. Un
piccolo numero di resti di supernovae presenta, invece, caratteristiche molto
diverse da quelle descritte, in particolare per la presenza di emissione anche
dalla regione interna: i resti di questo tipo sono detti anche
plerioni,
e la loro natura differente è spiegata mediante la presenza, nella
regione centrale, di una
pulsar, ovvero di una stella di neutroni in
rapida rotazione con un intenso campo magnetico. Le sorgenti galattiche di raggi
X più luminose sono costituite, invece, dai sistemi binari, formati da
due stelle orbitanti intorno ad un comune centro di gravità; l'emissione
di raggi X avviene quando una delle due componenti è un oggetto
collassato (una nana bianca, una stella di neutroni o anche un buco nero) che si
trova abbastanza vicino alla seconda componente, che deve essere invece una
stella ordinaria. In questo caso, infatti, i gas dell'atmosfera della seconda
stella che sfuggono al suo campo gravitazionale precipitano nel campo molto
intenso dell'astro collassato: l'energia potenziale dei gas si trasforma in
energia cinetica, causando un aumento della temperatura fino ad alcuni milioni
di gradi, con conseguente emissione di raggi X. Le sorgenti binari di raggi X
contenenti una stella di neutroni possono essere a loro volta suddivise in due
classi principali: le
sorgenti X di tipo I, in cui la stella secondaria
ha grande massa, maggiore di quella solare, è molto luminosa ed emette
vento stellare molto intenso, e le
sorgenti X di tipo II, in cui la
stella secondaria ha massa minore di quella solare, ed emette raggi X con
luminosità maggiore di quella ottica anche di più di dieci volte.
Facendo sempre riferimento ai sistemi con una stella di neutroni, le
osservazioni compiute su una ventina di sistemi hanno mostrato che tale stella
ha generalmente una massa compresa tra una e due masse solari; studi teorici
prevedono che quando una stella collassata superi le tre masse solari si formi
un buco nero. Stime fatte su alcune sorgenti di raggi X nella nostra galassia
sembrano confermare un valore per la massa della componente compatta che supera
questo limite: tali sorgenti vengono indicate tuttavia come
candidati buchi
neri, in quanto tali stime si basano su ipotesi difficilmente verificabili.
Sono state scoperti anche alcuni sistemi binari sorgenti di raggi X dotati di
piccola massa: essi sono gli oggetti di maggiore età nella nostra
galassia, in cui le stelle di massa più grande hanno concluso il loro
ciclo evolutivo e probabilmente collasseranno in una stella di neutroni. Per
quanto riguarda le sorgenti extragalattiche di raggi X, si possono distinguere
tre diversi tipi di sorgenti: le
galassie normali, i
nuclei galattici
attivi e gli
ammassi di galassie. Si definiscono galassie normali
quelle che non presentano un'intensa emissione nella regione nucleare; in esse
la radiazione X è prodotta essenzialmente dalle diverse sorgenti di
natura stellare e dai resti di supernovae che contengono. Sono state osservate,
ad esempio, oltre un centinaio di sorgenti in M31, la galassia a spirale della
costellazione di Andromeda appartenente al Gruppo locale, alcune delle quali
sono state anche identificate otticamente. La presenza di un'emissione di raggi
X oltre il contorno visibile osservata in alcune galassie ellittiche, inoltre,
ha dimostrato la presenza di materia non osservabile nella banda del visibile,
che contribuisce al campo gravitazionale che regola la dinamica del sistema
stellare. I nuclei galattici attivi, o NGA, costituiscono la classe più
numerosa di sorgenti X extragalattiche: sono formati da galassie che presentano
un'emissione di radiazione di origine non stellare nella regione nucleare, la
cui luminosità supera quella dell'intera componente stellare della
galassia. Secondo i più recenti studi gli NGA seguirebbero un unico
modello fisico, nel quale materia e radiazione sono distribuite in modo
anisotropo: al centro di ogni NGA si troverebbe un buco nero di grande massa,
attorno al quale ruoterebbe un
disco di accrescimento, una struttura
abbastanza stabile formata dal gas in rotazione nel processo di caduta, prima
del collasso finale. L'emissione di raggi X da ammassi di galassie, infine,
è spazialmente estesa, e presenta una distribuzione che dipende dalla
struttura del campo gravitazionale dell'ammasso stesso: il gas intergalattico,
infatti, tende a concentrarsi nelle zone in cui il potenziale è minore.
La distribuzione dell'emissione X, pertanto, fornisce una vera e propria mappa
del campo gravitazionale dell'ammasso, e consente di stimare la materia che lo
produce. Oltre alla radiazione X emessa dalle sorgenti, galattiche ed
extragalattiche, appena elencate, è stata scoperta nel 1962 una
radiazione X di fondo , sulla cui origine e natura sono state fatte molte
indagini; viene attualmente giustificata come il prodotto dell'emissione
sovrapposta di molte sorgenti lontane, aventi un flusso troppo debole per essere
individuate singolarmente. Non è chiaro, tuttavia, quali debbano essere i
contributi delle diversi classi di sorgenti, anche se si ritiene che il 20%
circa sia dovuto agli ammassi di galassie e alle galassie normali, ed il
restante agli NGA.