Le Ultraluminous X-ray sources (ULX) sono una classe di sorgenti X extra-galattiche con luminosità significativamente maggiori di 10^39 erg/s (in alcuni casi addirittura fino a 10^42 erg/s), quindi ben al di sopra del limite di Eddington di un buco nero di 10 masse solari. La loro emissione X è prodotta dall’accrescimento di materia su oggetti compatti, i quali si trovano con grande probabilità all’interno di sistemi binari. Le ULX sono considerate una popolazione variegata di alternativamente buchi neri di massa intermedia, o buchi neri di taglia stellare e stelle di neutroni, dove questi ultimi stanno chiaramente attraversando fasi di accrescimento estremamente super-Eddington. Recentemente sono state scoperto alcune ULX pulsar, con periodi compresi fra 0.5s – 30s.
I dati dei satelliti XMM-Newton e NuSTAR ci hanno permesso di caratterizzare le proprietà spettrali delle ULX nella banda ~0.2-30 keV. Nei loro spettri è stata individuata la presenza quasi sistematica di una componente soft e termica (con una temperatura di ~0.2-0.5 keV), di una componente di comptonizzazione modellata come una corona otticamente spessa e con una temperatura di cut-off di ~3-7 keV (e.g. Pintore et al. 2013) e, in alcune sorgenti, di una componente hard descritta da una powerlaw. Tali componenti potrebbero essere associate alla fotosfera di venti otticamente spessi eiettati dal disco di accrescimento (come aspettato nel caso di accrescimento super-Eddington), da una regione interna del disco di accrescimento modificata da effetti di advection, e nel caso delle ULX pulsar da una regione consistente con la colonna di accrescimento (e.g. Israel et al. 2018). L’analisi spettrale ci ha permesso di ipotizzare che molte ULX potrebbero in realtà ospitare stelle di neutroni piuttosto che buchi neri (e.g. Pintore et al. 2017).
L’analisi di dati proprietari e d’archivio del satellite XMM-Newton si è rivelata di cruciale importanza nell’individuazione di pulsar nelle ULX. Per via degli elevati spin-up osservati in queste sorgenti, è stato necessario sviluppare delle tecniche di timing specifiche, le quali ci hanno permesso di scoprire la prima, e piu’ brillante (Lx~10^41 erg/s), pulsar ULX (Israel et al. 2017). In aggiunta a questa, il nostro gruppo ha fortemente collaborato alla scoperta di 4 pulsar ULX su un campione di 5 sorgenti note finora. I meccanismi che regolano l’accrescimento sulle stelle di neutroni in tali sorgenti non sono ancora completamente compresi, ma il nostro gruppo ha proposto che le stelle di neutroni delle ULX possano presentare una combinazione di campi dipolari e quadrupolari (Israel et al. 2018), dove questi ultimi potrebbero essere dell’ordine di 10^14-10^15 G.
Generalmente le ULX sono a lungo state considerate sorgenti persistenti, cioè con piccole variazioni di luminosità. In realtà questo dipende fortemente da limiti osservativi. Infatti grazie a monitoring continui di galassie vicine con il satellite Swift (e in alcuni casi grazie ad osservazioni Chandra ed XMM-Newton) è stato possibile scoprire in modo casuale l’esistenza di un certo numero di ULX transienti. Il nostro gruppo si è occupato di alcune di esse, studiandone l’evoluzione spettrale e temporale durante i loro outburst (Esposito et al. 2012, Pintore et al. 2018).
In aggiunta, grazie ad un’osservazione profonda ottenuta con Chandra della sorgente NGC 5907 ULX-1 abbiamo individuato la prima emissione diffusa in X intorno ad una ULX, la quale avrebbe una dimensione fisica di circa 150 pc. La natura di questa emissione diffusa potrebbe essere associata alla presenza di materiale espulso dalla ULX che interagisce con il mezzo circostante (Belfiore et al. 2019).