Le stelle di neutroni sono probabilmente gli oggetti più esotici dell’universo. Come uno di quei amici fastidiosi che apparentemente devono superare ogni aspetto della vita, le stelle di neutroni superano in quasi ogni categoria: gravità superficiale; intensità del campo magnetico; densità; e temperatura.
“Ma aspetta”, sento dire, “i buchi neri sono molto più densi!” In un certo senso è vero, ma non possiamo determinare la struttura interna di un buco nero, poiché è per sempre nascosto dietro l’orizzonte degli eventi.
Le stelle di neutroni, sono l’oggetto solido più denso che possiamo osservare, raggiungendo al loro centro una densità di alcune volte la densità di un nucleo atomico. Un campione di materiale di stelle di neutroni delle dimensioni di un granello di sabbia peserebbe più o meno lo stesso della nave più grande che abbia mai solcato i mari: più di 500.000 tonnellate.
Le stelle di neutroni offrono anche una vasta gamma di comportamenti estremi che le rendono un bersaglio avvincente per gli astrofisici. Per il pubblico, tuttavia, sembrano soffrire di un problema di immagine, privo del fascino visivo degli oggetti che possiamo immaginare direttamente, o della stranezza ultraterrena dei buchi neri.
Origine di una stella di neutroni
Si pensa che le stelle di neutroni si formino dall’esplosione di una supernova che pone fine alla vita di una stella di medie dimensioni, circa da 8 a 20 volte la massa del nostro sole. Una volta consumato il suo combustibile nucleare, la stella esplode, perdendo la maggior parte del suo materiale nello spazio.
Ciò che resta collassa in un minuscolo oggetto (secondo gli standard astronomici) di circa 22 km di diametro, le dimensioni di una grande città, ma ancora una volta e mezza la massa del nostro Sole.
Sebbene la crosta sia composta principalmente da ferro cristallino, tali atomi non possono sopravvivere più in profondità nella stella e il materiale passa attraverso una bizzarra fase di “pasta nucleare” nel fluido neutronico del nucleo.
Le condizioni nel nucleo non possono essere riprodotte in nessun esperimento terrestre e l’incertezza su questa regione – forse comprendente iperoni esotici o anche “strana materia di quark” – è una delle principali motivazioni per lo studio di questi oggetti.
Le stelle di neutroni emettono poca luce visibile, rendendole praticamente impossibili da rilevare nelle ricerche alla cieca. La maggior parte dei pochi esemplari conosciuti sono stati invece scoperti tramite le loro pulsazioni radio.
Come i fari cosmici, i raggi radio accoppiati di queste pulsar si diffondono nell’universo. Se il raggio attraversa la Terra, possono essere rilevati con radiotelescopi terrestri come il Dish a Parkes, nel New South Wales. La pulsar più vicina, PSR J0437-4715, dista circa 500 anni luce.
Naturalmente, ci sono molti altri esempi con raggi che non raggiungono la Terra, quindi il campione osservato è una piccola frazione della popolazione galattica totale. Oltre a queste normali pulsar radio, ne esistono di altri tipi e sono:
- I Transienti RAdio rotanti (RRAT) sono pulsar con (apparentemente!) fasci traballanti che si attivano e si spengono;
- le magnetar sono pulsar con campi magnetici incredibilmente forti;
- i microquasar sono pulsar con getti che raggiungono velocità relativistiche.
Tutto in un giro
Le tipiche stelle di neutroni pulsanti ruotano circa una volta al secondo, il che è straordinariamente veloce per un oggetto così massiccio e denso. Ma se la stella ha una normale compagna binaria, la stella di neutroni può “girare” a più di dieci volte la velocità di una tipica lavatrice durante la centrifuga.
Il processo attraverso il quale ciò avviene è chiamato accrescimento. Nel corso dei mille milioni di anni di vita di questi oggetti, la stella compagna si evolve (e si espande) finché gli strati esterni non sentono l’attrazione gravitazionale della stella di neutroni.
Il gas della stella compagna può quindi fluire sulla stella di neutroni, facendola ruotare, nello stesso modo in cui puoi far girare una ruota di bicicletta sospesa in aria con il flusso d’acqua di un tubo da giardino.
Questo processo ha alcuni notevoli effetti collaterali. Il gas che cade sulla stella di neutroni viene riscaldato a decine di milioni di gradi e la stella di neutroni inizierà a brillare, nei raggi X anziché nelle onde radio. Tale radiazione è bloccata dall’atmosfera terrestre, ma può essere rilevata da telescopi satellitari come quelli gestiti dalla NASA e dall’Agenzia spaziale europea (ESA).
In effetti, l’oggetto più luminoso nel cielo a raggi X, a parte il sole, è una probabile stella di neutroni, Scorpius X-1 (la prima sorgente di raggi X scoperta nella costellazione dello Scorpione), che orbita attorno al suo compagno donatore di massa ogni 19 ore.
Si verifica la fusione
Il gas che si deposita sulla superficie della stella di neutroni attraverso il processo di accrescimento è probabilmente simile alla composizione del nostro Sole: principalmente idrogeno ed elio, con una piccola percentuale di altri elementi.
L’enorme gravità della stella di neutroni – alcune centinaia di miliardi di volte più forte di quella terrestre – comprimerà e riscalderà il gas, portando dopo poche ore o giorni al punto in cui può avvenire la fusione nucleare.
Ma questa combustione non si comporta bene come nelle stelle come il sole. Invece, la combustione è instabile e procede in pochi secondi ad essere inghiottito completamente dalla superficie della stella di neutroni, esaurendo tutto il carburante accumulato e dando origine a un’esplosione di raggi X visibile in tutta la galassia.
Queste esplosioni sono state osservate in circa 100 sistemi da quando i primi telescopi a raggi X furono lanciati negli anni ’60. Si verificano una volta ogni poche ore o giorni (a seconda del tasso di accrescimento), sono di gran lunga le esplosioni termonucleari più frequenti nell’universo.
Naturalmente, la fornitura di gas dal compagno alla fine si esaurirà. E quando ciò accade, la stella di neutroni potrebbe riprendere il suo ruolo di pulsar radio, anche se ora ruota centinaia di volte al secondo. L’attuale detentore del record è PSR J1748-2446ad che gira 716 volte al secondo!
Ma anche le stelle di neutroni non possono rimanere attive per sempre. Alla fine l’energia di rotazione si dissiperà e senza un compagno che l’alimenta, la pulsar attraverserà la linea della morte oltre la quale non è più rilevabile.
Dopodiché, la stella di neutroni si raffredderà gradualmente fino alla fine dei tempi. Fino ad allora, le stelle di neutroni continueranno a fungere da laboratori straordinari per lo studio della materia a densità e temperature estreme.
Autore
Duncan Galloway, Università di Monash
