Cos’è una stella di neutroni?

Le stelle di neutroni sono tra gli oggetti più affascinanti e misteriosi dell’universo. Questi corpi estremamente densi superano ogni limite in molte categorie: dalla gravità superficiale ai campi magnetici più forti conosciuti, fino alla densità e alla temperatura.

Origini e nascita di una stella di neutroni

Le stelle di neutroni si formano a seguito di una supernova, un evento catastrofico che segna la fine della vita di una stella massiccia. Queste stelle progenitrici, che hanno una massa compresa tra otto e venti volte quella del nostro Sole, bruciano il loro carburante nucleare nel corso di milioni di anni. Quando il carburante si esaurisce, la stella inizia a collassare su se stessa, dando origine a una supernova.

Durante questa esplosione, la stella rilascia un’enorme quantità di energia e materia nello spazio circostante. Gran parte dei materiali stellari vengono dispersi nello spazio, contribuendo alla formazione di nuove stelle e pianeti. Tuttavia, ciò che rimane al centro della supernova è il nucleo della stella, che diventerà la stella di neutroni.

La densità incredibile delle stelle di neutroni

Una delle caratteristiche più sorprendenti delle stelle di neutroni è la loro incredibile densità. Questi oggetti sono estremamente compatti, con una massa che può essere una volta e mezza quella del nostro Sole, ma concentrata in un raggio di soli circa 22 chilometri. Per darvi un’idea della loro densità, immaginate un cucchiaio di materia proveniente da una stella di neutroni: peserebbe quanto una montagna!

La superficie delle stelle di neutroni è coperta da una crosta solida, principalmente composta da ferro cristallino. Tuttavia, al di sotto di questa crosta, le condizioni diventano incredibilmente estreme. La pressione e la densità aumentano considerevolmente, e la materia si trasforma in uno stato noto come “pasta nucleare“.

La fase della pasta nucleare è particolarmente intrigante per gli scienziati, poiché le condizioni all’interno di una stella di neutroni sono impossibili da riprodurre in laboratorio sulla Terra. Ciò solleva domande fondamentali sulla natura della materia in queste condizioni estreme, tra cui l’ipotesi di esistenza di particelle esotiche come gli iperoni o la “materia di quark“.

Le ricerche sulle stelle di neutroni

Le stelle di neutroni, nonostante il loro enorme valore scientifico, sono estremamente difficili da osservare direttamente. A differenza delle stelle ordinarie, non emettono quantità significative di luce visibile, rendendo quasi impossibile individuarle tramite osservazioni casuali. La maggior parte delle stelle di neutroni finora conosciute è stata scoperta grazie alle loro pulsazioni radio.

Le stelle di neutroni pulsar si comportano come fari cosmici, emettendo fasci di radiazione radio che si propagano nello spazio. Quando questi fasci intersecano la Terra, possono essere rilevati dai radiotelescopi. Le pulsar, con i loro segnali regolari e periodici, sono veri e propri orologi cosmici, permettendo agli scienziati di identificarle e studiarle in dettaglio.

Tuttavia, solo una piccola frazione delle stelle di neutroni è osservabile: quelle il cui raggio di emissione radio è orientato verso la Terra. La maggior parte delle stelle di neutroni, i cui fasci non sono allineati con il nostro pianeta, rimane invisibile, costituendo una popolazione galattica ampiamente inesplorata.

Tipologie di stelle di neutroni

1. Pulsar: Stelle di neutroni che emettono fasci di radiazione che si intersecano con la Terra, visibili dai radiotelescopi.
2. Rotating RAdio Transients (RRATs): Queste stelle di neutroni hanno fasci di radiazione che sembrano instabili e intermittenti, con segnali radio che compaiono e scompaiono in modo apparentemente casuale.
3. Magnetar: Le magnetar sono una sottoclasse di stelle di neutroni caratterizzate da campi magnetici estremamente potenti. Questi campi magnetici sono tra i più forti conosciuti nell’universo e possono causare potenti eruzioni di raggi X e raggi gamma.
4. Microquasar: Alcune stelle di neutroni sono coinvolte in sistemi binari con una compagna stellare, dando luogo a microquasa. Questi sistemi possono produrre getti di materia che si muovono a velocità relativistiche e sono oggetto di intensa ricerca.

Rapida rotazione e il ruolo delle compagne

Le stelle di neutroni possono esistere isolatamente, rilevabili solo dalla loro temperatura superficiale, oppure possono vivere in partnership con stelle “ordinarie”, spesso sottraendo il loro materiale, o in alcuni casi possono esistere in sistemi binari con un’altra stella di neutroni.

Le stelle di neutroni che hanno una compagna possono attirare materia dalla compagna a causa della loro forza gravitazionale. Questa materia catturata cade sulla stella di neutroni e ne accelera la rotazione. Questo processo è noto come accrescimento.

Questo processo di accrescimento è incredibilmente energetico e riscalda la materia che cade sulla stella di neutroni a temperature di decine di milioni di gradi. Di conseguenza, la stella di neutroni inizia a emettere intensa radiazione, ma questa è principalmente nel range dei raggi X, non visibile ad occhio nudo. Pertanto, per osservare queste stelle di neutroni in raggi X, gli scienziati si affidano a telescopi spaziali come quelli gestiti dalla NASA e dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA).

Un esempio noto di una stella di neutroni che si trova in un sistema binario è Scorpius X-1, che orbita attorno a una compagna massiccia una volta ogni 19 ore. Questa stella di neutroni è uno degli oggetti più luminosi nel cielo in raggi X, eccezion fatta per il Sole.

Fusione nucleare su una Stella di Neutroni

La materia che si accumula sulla superficie di una stella di neutroni attraverso il processo di accrescimento è simile nella composizione a quella del nostro Sole, principalmente composta da idrogeno ed elio, con una piccola percentuale di altri elementi. La gravità incredibile della stella di neutroni, che è centinaia di miliardi di volte più forte di quella terrestre, comprime e riscalda questa materia. In questo ambiente estremo, la fusione nucleare può verificarsi.

Tuttavia, la fusione nucleare su una stella di neutroni non segue i pacifici processi che si verificano all’interno delle stelle come il Sole. Invece, la fusione è estremamente instabile e si verifica in pochi secondi. Questo può dare origine a esplosioni di raggi X estremamente luminose, visibili in tutta la galassia. Finora, circa cento di queste esplosioni sono state osservate dagli scienziati sin dai primi telescopi a raggi X lanciati negli anni ’60.

L’inevitabile raffreddamento

Anche se le stelle di neutroni sono oggetti incredibilmente stabili e duraturi nell’arco di miliardi di anni, alla fine il loro destino è segnato. Con il tempo, perderanno progressivamente energia e rallenteranno la loro rotazione. Senza una compagna da cui ricavare nuova energia, il pulsar supererà la “linea di morte” oltre la quale non è più rilevabile.

Una volta raggiunta questa fase, la stella di neutroni continuerà a raffreddarsi gradualmente nel corso di miliardi di anni. Questo processo di raffreddamento è lento, ma alla fine la stella di neutroni diventerà sempre meno luminosa e attiva, fino a diventare virtualmente invisibile. È una fine lenta e tranquilla per uno degli oggetti più dinamici e misteriosi dell’universo.